CC BY
17УДК 629.78.064.5:621.452.33
электроэнергетическая система переменного тока для замкнутой газотурбинной установки космического аппарата
© 2022 г. готовцев К.в., Кошлаков в.в., Ошев Ю.А.
Акционерное общество «Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша») Онежская ул., 8, г. Москва, Российская Федерация, 125438, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
В статье предложена концепция электроэнергетической системы переменного тока, позволяющей передать полную электрическую мощность на одну полезную нагрузку, для автономной замкнутой газотурбинной энергетической установки. Применительно к специфике замкнутых газотурбинных энергоустановок космических аппаратов подобраны способы и рассмотрены процессы регулирования значений частоты и напряжения и способ параллельной работы двух электрогенераторов с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов. Рассмотрен способ формирования минимально необходимой нагрузки для ограничения частоты вращения ротора аварийного турбокомпрессора-генератора. Проведены оценки параметров и экспериментальных характеристик электрогенератора экспериментального макета турбокомпрессора-генератора.
Ключевые слова: замкнутая газотурбинная установка, регулирование напряжения, электрогенератор с постоянными магнитами, электроэнергетическая система переменного тока.
ALTERNATING CuRRENT power GENERATING SYSTEM
for closed-loop gas-turbine system
OF A SpACECRAFT
Gotovtsev K.v., Koshlakov v.v., Oshev Yu.A.
Joint Stock Company Keldysh State Research Center (Keldysh Research Center) 8 Onezhskaya str, Moscow, 125438, Russian Federation, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
The paper proposes an a.c. power generating system concept, which makes it possible to transfer its total power output to a single load, for a stand-alone closed-loop gas-turbine power generating unit. Keeping in mind the specific nature of closed-loop gas-turbine power generating systems intended for use in spacecraft, the paper selects techniques and addresses the processes of frequency and voltage regulation, and the technique of parallel operation of two power generators with excitation by permanent high-coercitivity magnets. The paper discusses a method
for putting together a minimal load required to limit the rotor r.p.m. in an emergency turbo compressor-generator. It provides estimates of parameters and experimental characteristics of an electric power generator for a brassboard prototype of the turbo compressor-generator.
Key words: closed-loop gas-turbine system, voltage regulation, electric power generator with permanent magnets, alternating current power generating system.
I ^ *
ГОТОВЦЕВ к.в. КОШЛАКОВ B.B. ОШЕВ Ю.А.
ГОТОВЦЕВ Кирилл Владимирович — ведущий инженер-конструктор АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: gotkir@kerc.msk.ru
GOTOVTSEV Kirill Vladimirovich — Lead engineer-designer at Keldysh Research Center, e-mail: gotkir@kerc.msk.ru
КОШЛАКОВ Владимир Владимирович — доктор технических наук, генеральный директор АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: kerc@elnet.msk.ru
К0SHLAK0V Vladimir Vladimirovich — Doctor of Science (Engineering), General Director of Keldysh Research Center, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
ОШЕВ Юрий Аркадьевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
OSHEV Yury Arkadyevich — Doctor of Science (Engineering), Lead research scientist at Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
Введение
Система преобразования тепловой энергии в электрическую, работающая на основе термодинамического газотурбинного цикла (иногда называемого циклом Брайтона), является одной из перспективных схем при разработке автономных энергетических установок (АЭУ) для космических аппаратов (КА). К последним относятся, например, проекты «Прометей» [1] и MARS-2033 [2] NASA, USA, с электрической мощностью 200 кВт и 5-10 МВт для электроракетных двигателей и проект
«Ядерная энергодвигательная установка КА» мегаваттного класса [3] ГК «Роскосмос», Россия. АЭУ содержит один нагреватель (ядерный газо-охлаждаемый реактор) и два газотурбинных модуля с электрогенераторами. Роторы турбокомпрессоров-генераторов (ТКГ) вращаются встречно для обнуления гироскопического момента. Типовая схема представлена на рис. 1: левая часть — пневмогидравлическая схема; правая часть — электрическая схема [3]. Общим связующим звеном являются электрогенераторы с турбо-приводом.
Рис. 1. Пневмогидравлическая и электрическая схемы АЭУ КА: 1 — турбина; 2 — компрессор; 3 — электрогенератор; 4 — нагреватель - ядерный газоохлажда-емый реактор; 5 — рекуператор; 6 — холодильник; 7 — задвижка; 8 — перепускной клапан; 9 — дроссель; 10 — вспомогательный холодильник; 11 — устройство изменения давления; 12 — система преобразования и распределения электроэнергии; 13 — коммутатор системы автоматического управления; 14 — электроракетные двигатели; 15 — секции балластной нагрузки; 16 — единичный элемент секции балластной нагрузки; 17 — полезная нагрузка; 18 — устройство обеспечения запуска
В газотурбинном модуле нагретый газ высокого давления выходит из нагревателя 4, работает на турбине 1, расширяясь и остывая, вращает общий ротор турбины 1 с компрессором 2 и электрогенератором 3, затем отдаёт часть остаточного тепла в рекуператоре 5 газу, выходящему из компрессора 2, проходит после рекуператора 5 холодильник 6 и попадает в компрессор 2, после которого уже с высоким давлением подогревается в рекуператоре 5 и нагревателе 4 и снова попадает на турбину 1. Газотурбинный модуль 1-5-6-2-5-4-1 с электрогенератором 3 образует энергетический модуль, который через систему преобразования электроэнергии 12 и коммутации 13 подключен к ЭРД своей группы 14 или равной ей по электрической мощности балластной нагрузке 15, или может быть подключен к полезной нагрузке 17, в зависимости от режима работы. В общем случае одна из полезных нагрузок 17 может содержать устройство с мощностью, превышающей мощность одного энергетического газотурбинного модуля. Для её обслуживания потребуется объединение энергетических модулей.
В статье рассмотрена концепция электроэнергетической системы переменного тока (ЭЭСПТ), реализующей на выходе АЭУ общую полную электрическую мощность. При этом система преобразования и распределения электроэнергии выполняется в виде автономных блоков, входящих в состав каждого энергопотребителя, а объединение энергии происходит на уровне рабочего напряжения переменного тока электрогенераторов. Пневмогидравли-ческая схема АЭУ остаётся прежней — рис. 1 (левая часть), электрическая схема ЭЭСПТ приведена на рис. 2.
Электрогенераторы 3 (рис. 2) турбокомпрессора-генератора подключены через устройства коммутации 6 к общим шинам переменного трёхфазного тока 9, при этом каждый электрогенератор 3 снабжён управляемыми системой автоматического управления устройством 4 регулирования активной мощности и поддержания постоянства частоты переменного тока в виде регулируемой балластной нагрузки и устройством 5 регулирования реактивной мощности и поддержания постоянства напряжения переменного тока. Общие шины переменного трёхфазного тока 9 обеспечивают подачу полной электрической мощности АЭУ на любой из её энергопотребителей 10.
Учитывая специфику рассматриваемой АЭУ КА (применение высокооборотных синхронных генераторов с ротором на газодинамических подшипниках и возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов), проведём далее обсуждение работы ЭЭСПТ. В общем случае результаты обсуждения работы ЭЭСПТ пригодны и для других способов преобразования тепловой энергии в электрическую, например, для паротурбинного цикла Ренкина и др.
Рис. 2. Электрическая схема электроэнергетической системы переменного тока АЭУ: 1 — турбина; 2 — компрессор; 3 — электрогенератор с турбокомпрессорным приводом (ТКГ); 4 — устройство регулирования активной мощности и поддержания частоты переменного тока; 5 — устройство регулирования реактивной мощности и поддержания напряжения переменного тока; 6 — устройство коммутации; 7 — устройство обеспечения запуска; 8 — устройство аварийного торможения ротора;
9 — общие шины переменного трёхфазного тока;
10 — энергопотребители АЭУ
Регулирование активной мощности -частоты напряжения
Частота вращения ротора ТКГ изменяется в зависимости от разности моментов, прикладываемых к валу ТКГ: раскручивающего момента, развиваемого турбиной ТКГ, и тормозных моментов, создаваемых компрессором ТКГ, электрической нагрузкой генератора ТКГ и потерями. Неизменность частоты вращения обеспечивается при равенстве раскручивающего и тормозных моментов. Наибольшего быстродействия в изменении разности моментов возможно достичь, изменяя электрическую нагрузку генератора ТКГ. Постоянная времени регулятора частоты, построенного на принципе изменения тормозного момента, развиваемого электрической нагрузкой, определяется электромагнитными свойствами цепей электрической нагрузки, и она на порядки меньше постоянных времени регуляторов, базирующихся на принципах изменения тепловых характеристик замкнутого контура газотурбинного
модуля. Фактически время реакции изменения электрической нагрузки может достигать микросекунд — это время срабатывания коммутационных устройств, подключающих/отключающих отдельные секции электрической нагрузки. Однако при оценке постоянной времени также необходимо учитывать время, затрачиваемое на измерение электрической мощности, и время выработки управляющего воздействия.
Быстродействие должно обеспечивать формирование требуемой электрической нагрузки в любых сочетаниях значений, предусмотренных штатной работой энергетической системы. Наиболее критичным представляется режим, при котором с работающих на полную мощность ТКГ происходит сброс всей полезной электрической нагрузки. При этом избыточная мощность на валу ротора ТКГ приводит к увеличению кинетической энергии вращения ротора в соответствии с соотношением:
1 ¿(ю2)
] -=,
Л г -Ь.
2
(1)
где Jz — момент инерции ротора, кг-м2; ш — угловая частота вращения ротора, рад/с; ЛN — избыточная мощность, Вт.
Для ротора, например, с моментом инерции ~0,0175 кг-м2 при сбросе 100% электрической мощности увеличение угловой скорости на 1% от номинальной произойдёт за время ~28 мс. Если расширить диапазон пределов отклонения частоты вращения до 10%, время ориентировочно увеличивается в 10 раз. Однако при рассмотрении расширения диапазона отклонения частоты вращения ротора ТКГ необходимо ещё учитывать прочность ротора из-за возрастающих нагрузок при раскручивании выше номинальной частоты.
Поскольку рассматривается возможный сброс всей полезной электрической нагрузки, то мощность балластной нагрузки следует принять равной полной мощности АЭУ. Для придания большей адаптивности к возможным вариантам изменения мощности полезной электрической нагрузки балластную нагрузку следует выполнить с возможностью формирования любого значения электрической мощности во всем диапазоне от холостого хода до максимального значения. Наиболее простым
с позиции схемной реализации и алгоритмов управления способом формирования требуемой электрической мощности балластной нагрузки представляется ступенчатое регулирование, где все секции балластной нагрузки включаются параллельно друг другу, и каждая секция мощностью, кратной 2я, где п — номер секции, подключается/отключается своим независимым от других коммутационным аппаратом [4].
Количество секций балластной нагрузки определяет минимальную мощность последней секции и влияет на длительность цикла её включения - отключения для поддержания частоты вращения ротора ТКГ в заданных пределах.
Конкретная длительность цикла также должна учитывать жизнеспособность коммутационных аппаратов. Чем больше секций балластной нагрузки, тем меньше циклов включения/отключения коммутационного аппарата минимальной секции при установившейся работе энергоустановки. Длительность цикла в десятки секунд расширяет возможность применения различных видов коммутационных аппаратов, допуская применение быстродействующей электромеханической аппаратуры, обладающей большей радиационной стойкостью.
Поддержание частоты вращения ротора ТКГ осуществляется изменением активной мощности балластной нагрузки. Изменение реактивной мощности не приводит к изменению частоты вращения, однако её изменение влечёт за собой изменение значения напряжения на зажимах генератора, что обусловлено изменением угла между направлением магнитного поля возбуждения и направлением магнитного поля реакции якоря. Увеличение индуктивной реактивной мощности ведёт к уменьшению напряжения, при этом вслед за изменением значения напряжения происходит изменение активной мощности полезной или балластной нагрузки. Таким образом, для минимизации перерегулирования переход с полезной электрической нагрузки на равную ей по активной мощности балластную нагрузку целесообразно выполнять при сохранении значения реактивной мощности, т. е. коэффициенты мощности полезной и балластной нагрузок желательно выполнять одинаковыми.
При включении секций балластной нагрузки они прогреваются до расчётной стационарной температуры. Минимизировать перерегулирование, связанное с прогревом секций балластной нагрузки, можно при контроле температуры секций. Это позволит прогнозировать требующееся к включению количество секций, что снизит перерегулирование и позволит упростить алгоритм управления мощностью балластной нагрузки.
Также минимизировать перерегулирование можно при термостабилизации отдельных секций балластной нагрузки. Термостабилизацию представляется возможным выполнить посредством помещения отдельных секций в газообразное рабочее тело, имеющее в контуре ТКГ практически постоянное распределение температуры. Схемы размещения части балластной нагрузки в контуре ТКГ рассмотрены в работе [5]. Участком замкнутого контура, наиболее подходящим для установки отдельных секций, представляется тракт непосредственно за рекуператором 5 (см. рис. 1) перед входом в нагреватель. При невысокой температуре рабочего тела на данном участке установка отдельных секций в виде электрических нагревательных элементов возможна без значительных технологических затруднений. Рассматриваются трубчатые нагревательные элементы (ГОСТ 13268-88 «Электронагреватели трубчатые»), у которых ввариваются в трубопровод замкнутого контура оба конца трубок нагревателей. Мощность термостабили-зированной части балластной нагрузки предполагается принять такой, чтобы компенсировать провал по мощности при прогреве до рабочей температуры основной части балластной нагрузки, а также обеспечить точность регулирования активной мощности в зоне малой невязки заданной и фактической мощностей. Основная часть балластной нагрузки выполняется из пластин углерод-углеродного композитного материала с двусторонним сбросом энергии в виде теплового излучения [6].
Предпочтение отдаётся трёхфазной балластной нагрузке, что обусловлено отсутствием искажения напряжения, которое вызывает выпрямление; более высокой надёжностью ввиду отсутствия дополнительных элементов, а также
необходимостью размещения термо-стабилизированной части балластной нагрузки в непосредственной близости от реакторной установки, где применение полупроводниковых выпрямителей требует специальных мер защиты от воздействия радиационного излучения. Для коммутации секций термостабили-зированной части балластной нагрузки целесообразным является применение быстродействующей электромеханической аппаратуры.
Например, при использовании балластной нагрузки из 13 секций основная часть балластной нагрузки, поглощающая 80% номинальной мощности и сбрасывающая энергию излучением в окружающую среду, содержит три первые секции «1-3», а термостабилизирован-ная часть балластной нагрузки, возвращающая энергию в замкнутый контур, содержит остальные секции «4-13». Принимая быстродействие включения секций «1-3» равным не более 15 мс, быстродействие включения термостаби-лизированных секций «4-13» оценивается по уравнению (1) равным 121 мс при удержании частоты вращения ротора ТКГ в пределах отклонения не более 1% от номинального значения.
Коммутационные аппараты секций балластной нагрузки, сбрасывающей энергию в окружающую среду, выполняют на базе полупроводниковых приборов, располагая их вне зоны значительного радиационного воздействия от реакторной установки, вблизи групп секций балластной нагрузки. Для быстродействующей коммутации наиболее предпочтительным представляется применение полупроводниковых приборов на базе карбида кремния, имеющих ^ повышенную стойкость к воздействию внешних и факторов. Коммутационные аппараты секций балластной нагрузки, возвращающей энергию в замкнутый контур, выполняют из электромеханических аппаратов с размещением их вблизи реакторной установки.
Для стабилизации активной мощности, снимаемой с генераторов ТКГ, формирование Рис 3 Расчётная управляющих воздействий макета ТКГ
для коммутационной аппаратуры балластной нагрузки выполняет система управления, которая, измеряя активную мощность полезной нагрузки и сравнивая её с заданным значением, формирует управляющий сигнал для получения требуемой мощности балластной нагрузки. Измерение мгновенной активной мощности в трёхфазных цепях выполняется по методу двух ваттметров, по показаниям двух фазных токов и двух линейных напряжений. Усреднение при вычислении активной мощности выполняется за один оборот ротора ТКГ, определяемого по магнитоэлектрическому датчику положения. Данный алгоритм не требует значительной частоты дискретизации токов и напряжений, сохраняя приемлемую точность. Частота дискретизации определяется по максимальной частоте основной гармоники, так как высшие гармоники носят в основном реактивный характер и не оказывают влияния на точность измерения активной мощности.
Регулирование реактивной мощности — амплитуды напряжения
У высокооборотных синхронных электрогенераторов магнитоэлектрической системы выходное напряжение значительно уменьшается при увеличении тока нагрузки. Для генератора экспериментального макета ТКГ жёсткость внешней характеристики от холостого хода до номинальной мощности составляет 23%, расчётная внешняя характеристика в относительных единицах приведена на рис. 3.
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Ток, ///ном
внешняя характеристика генератора экспериментального
При рассмотрении способов регулирования напряжения на статорных обмотках генератора с возбуждением от постоянных магнитов на фиксированной частоте вращения наибольший интерес представляет регулирование за счёт изменения полезного магнитного поля — суммарного магнитного поля возбуждения и магнитного поля реакции якоря. При работе статорных обмоток с активным током векторы поля возбуждения и поля реакции якоря ортогональны и не оказывают существенного влияния друг на друга, вектор поля возбуждения на 90° опережает вектор поля реакции статора по направлению вращения. Однако при наличии реактивной составляющей в токе статора вектор магнитного поля статора поворачивается, причём, как правило, реактивная составляющая тока статора носит индуктивный характер. Индуктивная составляющая поворачивает вектор магнитного поля статора против направления вращения, и суммарное поле по направлению вектора поля возбуждения начинает снижаться (поле возбуждения от постоянных магнитов и часть поля реакции якоря направлены встречно), вследствие чего происходит снижение напряжения на зажимах статорных обмоток. При ёмкостной реактивной составляющей тока статора вектор магнитного поля реакции статора повора-
чивается по направлению вращения и, суммируясь с полем возбуждения от постоянных магнитов, увеличивает суммарное магнитное поле и, соответственно, напряжение на зажимах статор-ных обмоток.
Изменение реактивной составляющей тока статора предполагается выполнять за счёт изменения ёмкостной составляющей тока путём включения последовательно в цепь статора ёмкостного добавочного устройства. Для поддержания заданной внешней характеристики генератора (стабилизации
500
490
а
V
а о
Й о,
О)
я о
|-ч
Я К
О)
н к
О) *
к а
480
470
4(50
450
440
430
420
от минимальной до номинальной мощности) коэффициент мощности статор-ной цепи необходимо поддерживать в определённом диапазоне. Недостаточное значение коэффициента мощности не приводит к требуемому повороту вектора реакции якоря, а повышенное значение приведёт к снижению тока статорной цепи генератора из-за увеличенного реактивного сопротивления включённого последовательно добавочного устройства. Это наглядно демонстрируют полученные экспериментально графики изменения напряжения на клеммах генератора и активной мощности в зависимости от угла мощности системы, приведённые на рис. 4.
Из графика видно, что максимальной активной мощности, т. е. максимальной эффективности, система достигает при равенстве величины напряжения под нагрузкой с величиной напряжения холостого хода, которое при данных параметрах системы реализуется при 11° эл. ёмкостной составляющей (-11° эл.).
Расчётная зависимость изменения ёмкостного сопротивления добавочного устройства от изменения активной мощности нагрузки в относительных единицах для генератора экспериментального макета ТКГ в диапазоне от холостого хода до номинального значения при постоянном коэффициенте мощности нагрузки 0,95 и поддерживаемом номинальном напряжении на зажимах нагрузки приведена на рис. 5.
-19500
/
■ 1 -Напряж -Напряж шис под натру: ;ние холостого кой, В хода, В
Мощность активная, Вт
19000
18 500
н щ
18000 3
17 500
17 000
и
.-з
л
и
3
16500
16 000
15500
-30
0
10
-20 -10 Угол мощности,0 эл.
Рис. 4. Экспериментальная характеристика изменения напряжения и актив-напряжения на нагрузке ной мощности
Рис. 5. Зависимость изменения ёмкостного сопротивления добавочного устройства при стабилизации напряжения на зажимах нагрузки
Видно, что при отсутствии жёстких требований к отклонению напряжения на нагрузке во всём диапазоне мощности ТКГ допустимо применять добавочное устройство с единственным номинальным значением ёмкостного сопротивления, рассчитанного для номинального значения активной мощности. Отклонение напряжения от номинального значения для генератора экспериментального макета ТКГ при изменении активной мощности нагрузки в диапазоне от холостого хода до номинального значения (при постоянном коэффициенте мощности нагрузки 0,95) и при номинальном значении ёмкостного сопротивления добавочного устройства составляет величину менее 1%, как видно на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость изменения напряжения на зажимах нагрузки при номинальном значении ёмкостного сопротивления добавочного устройства
Уменьшение требуемого значения ёмкости добавочного устройства можно получить путём включения её через трансформатор тока. Коэффициент трансформации оптимизируется по значениям
ёмкости и напряжения на ёмкостных элементах добавочного сопротивления. При использовании трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 10, ёмкость уменьшается в 100 раз, а напряжение на ней увеличивается в 10 раз. Для генератора экспериментального макета ТКГ при номинальной мощности нагрузки с коэффициентом мощности 0,95 ориентировочная ёмкость для основной гармоники при номинальной частоте вращения ТКГ составляет 159 мкФ, и 1,59 мкФ — с трансформатором, имеющим коэффициент трансформации 10.
Выбирая конкретные типы конденсаторов для формирования ёмкости добавочного устройства, необходимо учитывать реактивную мощность, которую они должны развивать. При номинальном токе генератора на каждой фазе добавочного устройства, включённого последовательно в статорную цепь генератора, развивается напряжение ~0,55 от фазного напряжения генератора, соответственно, реактивная мощность каждой фазы добавочного устройства должна составить 0,55 от мощности фазы генератора. В первом приближении, в качестве конденсаторов можно рассмотреть керамические конденсаторы типа К15-20 с температурным коэффициентом ёмкости по группе «МП0», изготавливаемые АО «НИИ «Гириконд» [7]. Ориентировочная масса конденсаторов для одной фазы добавочного устройства составит 12,8 кг при объёме 1 841 см3. Тангенс угла потерь данных конденсаторов составляет 0,0015, т. е. мощность потерь составит 0,15% от мощности фазы генератора. Трансформаторы тока системы регулирования возможно разместить в непосредственной близости от ТКГ. Добавочное устройство, содержащее конденсаторы, необходимо расположить вне зоны сильного воздействия радиационного излучения.
Параллельная работа ТКГ
Объединение электрогенераторов ТКГ позволяет обеспечить подачу полной электрической мощности АЭУ на одну полезную нагрузку. Мощность, потребляемая электрической полезной нагрузкой, в идеальном случае должна равномерно распределяться между работающими ТКГ, обеспечивая тем самым
равномерное распределение тепловых потоков между контурами ТКГ и, соответственно, равномерный износ критических элементов ТКГ.
Наиболее эффективным способом объединения ТКГ представляется их объединение по цепям переменного тока генераторов, где статорные цепи генераторов соединены металлическими проводниками. В этом случае для равномерного распределения нагрузки генераторы должны работать с одинаковыми частотами вращения и угловыми положениями роторов, т. е. с равными активными мощностями, и при одинаковом напряжении, т. е. с равными реактивными мощностями.
Работающие параллельно генераторы ТКГ способны до определённых пределов сохранять синхронизм без дополнительного внешнего регулирующего воздействия. При приложении к валу одного из ТКГ дополнительного вращающего момента вал будет стремиться к ускорению, увеличивая угол положения ротора генератора относительно ротора генератора другого ТКГ, что приведёт к увеличению на его генераторе активной нагрузки, т. е. увеличению тормозного момента на валу ТКГ. При этом генератор другого ТКГ, ввиду неизменности суммарной электрической нагрузки, будет разгружаться, т. е. тормозной момент на валу ТКГ будет снижаться, т. е. вал будет стремиться к ускорению. Угол взаимного положения роторов генераторов и активные мощности генераторов будут изменяться до тех пор, пока не наступит равновесие между вращающими и тормозными моментами на валах обоих ТКГ. Таким образом, не выходя из синхронизма, активная мощность распределится между параллельно работающими генераторами ТКГ.
Активная мощность неявнополюсно-го генератора в зависимости от угла положения ротора — угла между э.д.с., наводимой магнитным потоком ротора, и напряжением на зажимах генератора, как показано в источнике [8], определяется соотношением:
^ тЕи . „ Р =-81П0,
X !
(2)
где P — активная мощность генератора; E — э.д.с. генератора; U — напряжение
генератора; 0 — угол между э.д.с. и напряжением генератора; m — фазность генератора; xd — синхронное сопротивление по продольной оси.
Из формулы (2) видно, что максимальная активная электрическая мощность генератора достигается при 0 = 90° эл., в диапазоне 0...90° эл. активная мощность растёт, а в диапазоне 90.180° эл. активная мощность падает. Преодоление, в т. ч. кратковременное, угла в 90° эл., определяемое разностью между раскручивающим моментом от турбокомпрессора и тормозным моментом электромагнитной системы генератора, работающего параллельно с другим генератором на общую нагрузку, приводит к снижению тормозного момента генератора и дальнейшему увеличению угла с выходом генератора из синхронизма и к развитию аварийной ситуации. Отсюда можно заключить, что устойчивость системы, состоящей из нагрузки и параллельно работающих генераторов, будет сохраняться при углах генераторов, меньших 90° эл. В связи с этим генераторы, предполагающие параллельную работу, следует проектировать такими, чтобы для всех режимов работы, в т. ч. переходных, угол был меньше 90° эл., что достигается наличием запаса электромагнитной мощности генераторов над номинальной мощностью АЭУ, развиваемой приводами ТКГ. В переходном режиме, обусловленном временем отработки системы балластной нагрузки при включении/отключении полезной нагрузки, запас мощности генераторов позволит перераспределить нагрузку между параллельно работающими генераторами с сохранением устойчивости их синхронной работы.
При первоначальной автономной настройке газотурбинных модулей АЭУ уравнивание тепловой и электрической мощностей двух ТКГ производится регулировкой перепускного клапана 8 (см. рис. 1) на одном из модулей с большим значением вырабатываемой мощности на номинальном режиме.
Неравенство значений напряжения включаемых в параллельную работу генераторов вызовет возникновение выравнивающих токов, величина которых определяется разностью напряжений и сопротивлением цепей. В режиме параллельной работы генераторов без нагрузки генератор, на зажимах которого
напряжение до включения выше, будет отдавать индуктивный ток — индуктивную мощность, а генератор с напряжением до включения ниже будет отдавать ёмкостный ток — ёмкостную мощность. Реактивная мощность за полный оборот ротора не создаёт нагрузки на ротор, однако реактивные токи из-за малых значений сопротивлений статорных цепей могут достигать значительных величин, дополнительно нагружая электромагнитные цепи генераторов. Неравенство напряжений при равенстве частот вращения и угловых положений роторов генераторов может возникнуть от незначительных отличий электромагнитных характеристик генераторов. Компенсировать такие различия возможно с помощью добавочных устройств, включённых последовательно в статорные цепи генераторов и предназначенных для регулирования напряжений на полезной нагрузке. При применении номинального значения ёмкостного сопротивления добавочного устройства предполагается подстройку выполнять изменением суммарной ёмкости добавочного устройства каждого генератора, с оценкой точности по внешним характеристикам генераторов с добавочными устройствами, которые во всём диапазоне мощностей должны быть практически одинаковыми.
В силу идентичности конструкции ТКГ, а также идентичности контуров с общим нагревателем, поведение ТКГ в переходных режимах предполагается практически одинаковым, что должно способствовать минимизации перераспределения активных и реактивных мощностей между ТКГ в переходных режимах.
Возможным способом регулирования для обеспечения равенства мощностей параллельно работающих ТКГ можно рассмотреть статическое регулирование. При статическом регулировании в систему управления каждого ТКГ вводится некоторая зависимость частоты от мощности нагрузки в виде наклонной линии. Обеспечив идентичность зависимостей для каждого ТКГ с автономной системой управления, становится возможным объединение генераторов в общую сеть без организации дополнительных связей и объединённой системы управления.
Из-за совпадения зависимостей частоты от мощности каждого генератора распределение мощности между генераторами будет осуществляться равномерно. Причём зависимость напряжения от частоты вращения позволяет кроме равномерного распределения активных мощностей осуществить и равномерное распределение реактивных мощностей между генераторами при применении добавочного устройства с номинальным ёмкостным сопротивлением. Условное изображение распределения мощностей при статическом регулировании представлено на рис. 7.
Рис. 7. Распределение активной и реактивной мощностей при статическом регулировании: ^ U, P1, P2, Q1 и Q2 —
частота вращения ротора, напряжение, активная и реактивная мощности для ТКГ1 и ТКГ2, соответственно
Включение генераторов турбокомпрессора-генератора в режим параллельной работы можно выполнить различными способами (после проведения экспериментальной настройки параметров статического регулирования):
1) включение генераторов в параллель, разгон обоих ТКГ системой обеспечения запуска, подающей изменяющееся напряжение на общие шины генераторов, выход ТКГ на самогенерацию с последующим выходом на номинальную частоту вращения и приём полезной нагрузки;
2) разгон ТКГ индивидуальными системами запуска, выход ТКГ на самогенерацию с последующим выходом на номинальную частоту вращения, синхронизация ТКГ и включение на параллельную работу при совпадении угловых положений роторов, приём полезной нагрузки.
При первом способе коммутационный аппарат между статорными цепями генераторов ТКГ всегда включён и отключается только при развитии аварийного режима. При втором способе коммутационный аппарат включается на номинальной частоте вращения и отключается при развитии аварийного режима. Следует отметить, что решение о введении аппаратных средств синхронизации предполагается принять после цикла экспериментальной отработки, направленной на выявление аварийных режимов с оценкой возможности последующего восстановления номинального рабочего режима.
В качестве примера одного из аварийных режимов с вероятностью восстановления работоспособности АЭУ можно выделить короткое замыкание или обрыв в цепях между генератором и балластной нагрузкой. Потеря нагрузки из-за обрыва или короткого замыкания приводит к несанкционированному увеличению частоты вращения ротора ТКГ вплоть до его разрушения. После срабатывания коммутационного аппарата, отключающего аварийный ТКГ от системы общих шин, важным является формирование минимально необходимой резистивной нагрузки для ограничения частоты вращения ротора аварийного ТКГ в безопасном пределе. Как один из способов создания такой резистивной нагрузки может быть рассмотрено использование некоторых металлических конструктивных элементов несущей рамы. Схемная реализация подобного устройства аварийной защиты приведена на рис. 8.
Основным элементом устройства является шестиполюсный электромеханический контактор. В штатном режиме зажимы X, У, Z статорных обмоток генератора соединены в «нулевую» точку, обеспечивая схему соединения статорных обмоток «звезда» с изолированной нейтралью. Штатная нагрузка подключена к зажимам А, В, С. При выявлении аварийного события система управления формирует сигнал на включение контактора, расположенного в непосредственной близости от генератора ТКГ. После срабатывания контактора новая изолированная «нулевая» точка формируется на зажимах А, В, С, а к зажимам X, У, Z подключается минимально необходимая нагрузка на время, необходимое для срабатывания задвижки 7 (см. рис. 1), отсекающей аварийный контур.
Заключение
В статье предложена концепция электроэнергетической системы переменного тока, позволяющей передать полную электрическую мощность энергоустановки на одну полезную нагрузку, для автономной замкнутой газотурбинной энергетической установки.
Применительно к специфике газотурбинных замкнутых энергетических установок космических аппаратов подобраны способы и рассмотрены процессы регулирования значений частоты и напряжения и способ параллельной работы двух электрогенераторов магнитоэлектрической системы.
Проведены оценки параметров и экспериментальных характеристик генератора экспериментального макета турбокомпрессора-генератора с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов.
Авторы выражают признательность профессору, доктору
Рис. 8. Принципиальная схема включения минимально нагрузки ТКГ при аварийном режиме
о 5 и технических наук А.В. Семён
ь | кину за обсуждение и консуль-
^ тации при разработке мате-
й5. « х риалов статьи.
Список литературы
1. Mason L.S., SchreiberJ.G. необходимой А historical review of Brayton and Stirling power conversation
technologies for space applications // NASA / TM-2007-214975, 2007.
2. McGuire M.L. et al. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion for a 2033 Mars round-trip mission // NASA / TM-2006-214106, 2006.
3. Коротеев А.С., Ошев Ю.А., Попов С.А., Каревский А.В., Солодухин А.Е., Захаренков Л.Э., Семёнкин А.В. Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата // Известия РАН. Энергетика. 2015. № 5. С. 45-49.
4. Патент 26УУ258 С1. Российская Федерация. Способ управления автономной энергоустановкой (варианты). Иксанов Х.С., Вревский А.В., Ошев Ю.А., Семенкин А.В., Федюнин С.Ю.; патентообладатель — Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»; заявка № 201У135636 от 05.10.201? г. // Бюллетень № 2, опубликовано 16.01.2019 г.
5. Патент 2?488?4 С1. Российская Федерация. Ядерная энергетическая установка. Готовцев КВ., Вревский А.В., ^шлаков В.В., Ошев Ю.А.; патентообладатель — АО «Государственный
научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»; заявка № 2020130807 от 18.09.2020 г. // Бюллетень № 16, опубликовано 01.06.2021 г.
6. Патент 2602837 С1. Российская Федерация. Устройство балластное (варианты). Ганзбург М.Ф., Кокин Н.Н., Коротеев А.С., Мищенко А.В., Мищенко Н.И., Ошев Ю.А., Попов С.А., Семенкин А.В.; патентообладатель — Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша (ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»); заявка № 2015153515/07 от 15.12.2015 г. // Бюллетень № 32, опубликовано 20.11.2016 г.
7. Керамические конденсаторы типа К15-20 АО «НИИ «Гириконд». Режим доступа: https://giricond.ru/product/ kondensatory -i-filtry/keramicheskie -kondensatory/ (дата обращения 05.04.2022 г.).
8. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
Статья поступила в редакцию 25.11.2021 г. Окончательный вариант — 25.01.2022 г.
References
1. Mason L.S., Schreiber J.G. A historical review of Brayton and Stirling power conversation technologies for space applications. NASA. TM-2007-214975, 2007.
2. McGuire M.L. et al. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion for a 2033 Mars round-trip mission. NASA. TM-2006-214106, 2006.
3. Koroteev A.S., Oshev Yu.A., Popov S.A., Karevskii A.V., Solodukhin A.E., Zakharenkov L.E., Semenkin A.V. Yadernaya energodvigatel'naya ustanovka kosmicheskogo apparata [Nuclear power propulsion systems of a spacecraft]. Izvestiya RAN. Energetika, 2015, no. 5,pp. 45-49.
4. Patent 2677258 S1. Russian Federation. Sposob upravleniya avtonomnoi energoustanovkoi (varianty) [Method for controlling an autonomous power generating unit (options)]. Iksanov Kh.S., Karevskii A.V., Oshev Yu.A., Semenkin A.V., Fedyunin S.Yu.; the patent owner — Gosudarstvennaya korporatsiya po kosmicheskoi deyatel'nosti «Roskosmos»; application no. 2017135636 of 05.10.2017. Bulletin no. 2, published 16.01.2019.
5. Patent 2748874 S1. Russian Federation. Yadernaya energeticheskaya ustanovka [Nuclear power generating unit]. Gotovtsev K.V., Karevskii A.V., Koshlakov V.V., Oshev Yu.A.; the patent owner — AO «Gosudarstvennyi nauchnyi tsentr Rossiiskoi Federatsii «Issledovatel'skii tsentr im. M.V. Keldysha»; application no. 2020130807 of 18.09.2020. Bulletin no. 16, published 01.06.2021.
6. Patent 2602837 S1. Russian Federation. Ustroistvo ballastnoe (varianty) [Ballasting arrangement (options)]. Ganzburg M.F., Kokin N.N., Koroteev A.S., Mishchenko A.V., Mishchenko N.I., Oshev Yu.A., Popov S.A., Semenkin A.V.; the patent owner — Gosudarstvennyi nauchnyi tsentr Rossiiskoi Federatsii - federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predpriyatie «Issledovatel'skii tsentr im. M.V. Keldysha (GNTs FGUP «Tsentr Keldysha»); application 2015153515/07 of 15.12.2015. Bulletin no. 32, published 20.11.2016.
7. Keramicheskie kondensatory tipa K15-20 AO «NII «Girikond» [Ceramic capacitors of type K15-20 AO NII Girikond]. Available at: https://giricond.ru/product/kondensatory-i-filtry/keramicheskie-kondensatory/ (accessed 05.04.2022).
8. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny [Electrical machines]. Leningrad, Energiyapubl., 1978. 832p.
