Естественная механическая характеристика вентильных реактивных электродвигателей / генераторов (ВРД / ВРГ) определяется реактивным принципом действия и близка к гиперболической форме.
Поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного электропривода / генератора, т.е. вентильная реактивная машина является эффективным преобразователем электрической энергии в механическую и наоборот — механической энергии в электрическую. Эти особенности позволяют создавать высокоэффективные низкооборотные генераторы для ветровых электростанций и малогабаритных гидроэлектростанций, в то же время частота вращения высокооборотных ВРГ может превышать 100 000 об/мин. Увеличение частоты вращения позволяет существенно уменьшить массогабаритные характеристики генераторов.
ВРГ следует отличать от синхронного реактивного генератора (СРГ), который обладает низким КПД.
Структурная схема вентильного реактивного стартер — генератора приведена на рис.2. Электромеханический преобразователь (ЭМП) через электронный коммутатор подключен к электрическому накопителю C (конденсатор или аккумулятор). В процессе работы генератора электронный коммутатор формирует импульсы тока, которые заряжают накопитель, при этом микропроцессорный блок управления с помощью коммутатора поддерживает постоянный уровень напряжения на выводах накопителя. Для получения переменного напряжения необходим дополнительный электронный блок (преобразователь или инвертор), преобразующий постоянное напряжение в переменное c необходимым количеством фаз. Энергия, запасенная накопителем во время работы генератора, может в дальнейшем использоваться для запуска стартер — генератором двигателя внутреннего сгорания или раскрутки ветрового агрегата.
Архитектура стартера — генератора, приведенная на рис. 2, обладает следующими достоинствами:
- частота выходного напряжения на выходе формирователя не зависит от частоты вращения вала генератора, стабильность частоты выходного напряжения можно задавать до 10-6 Гц;
- габариты электромеханического преобразователя (ЭМП) уменьшаются, а конструкция упрощается с увеличением частоты вращения (например, при частоте вращения 22 000 об/мин и мощности 250 кВт ЭМП генератора с жидкостным охлаждением имеет габаритные размеры 200 х 300 мм );
- частоту выходного напряжения инвертора можно задавать в широких пределах: от нуля (постоянный ток) до десятков килогерц;
- высокая стабильность амплитуды выходного напряжения (электронная стабилизация на заданном уровне);
- высокая перегрузочная способность генератора (подбором соответствующей емкости электрического накопителя может быть увеличена в десятки раз);
- выходной преобразователь обеспечивает защиту генератора и формирование необходимой нагрузочной характеристики;
- высокая надежность, связанная с высоким уровнем защиты стартер — генератора от перегрузок и перегрева;
- электронная синхронизация работы нескольких генераторов на одну нагрузку;
- работа с электрическими накопителями энергии (конденсаторы, аккумуляторы);
- дистанционное управление режимами работы;
- для управления режимами работы стартер — генератора используются слаботочные коммутационные элементы;
- микропроцессорный блок управления обеспечивает высокий уровень автоматизации стартер — генератора.
Фирмой «Каскод» разработана серия стартер — генераторов мощностью до 6 кВт для малогабаритных автоматических электростанций бесперебойного питания. На рис. 3 показан стартер — генератор мощностью 4 кВт.
Стартер — генератор обеспечивает запуск двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с моментом до 15 Нм и, после прогрева ДВС, автоматически переключается в режим генератора. Выходное напряжение на выходе 3-фазного цифрового преобразователя может плавно регулироваться в диапазоне 50 — 380 вольт. Частота выходного синусоидального напряжения может задаваться в диапазоне 0 — 400 Гц с шагом 0,001 Гц. Нестабильность частоты выходного напряжения преобразователя 0,1 % , амплитуды — 5 % (при 100 % изменении нагрузки) в диапазоне частот вращения генератора 800 — 6000 об/мин. КПД системы — 85 %, коэффициент нелинейности выходного напряжения — 1,5 % (при 100 % нагрузке), cos (φ) = 1,0 (при активной нагрузке). Все основные режимы и параметры выходного напряжения генератора могут устанавливаться дистанционно с помощью CAN-интерфейса, к которому могут подключаться удаленные пульты или компьютеры. Встроенная цифровая система управления генератора обеспечивает высокий уровень защиты от перегрузок и перегрева, а так же дополнительно позволяет управлять режимами работы ДВС и беспечивает его диагностику (наличие масла, топлива, контроль перегрева, контроль системы зажигания и т.д.).
В настоящее время «Каскод» разрабатывает серию низкооборотных вентильных реактивных ветровых генераторов с частотой вращения 50 — 1000 об/мин, мощностью до 20 кВт.
Надо отметить, что фирмами «General Electric» и «Lockheed Corporation» (США) начато производство нового поколения мобильных бортовых энергетических комплексов мощностью до 250 кВт на базе вентильных реактивных стартер — генераторов с частотой вращения до 22 000 об/мин. Базовая часть комплексов аналогична структуре, показанной на рис. 2. Комплексы предназначены для использования в военной технике. Испытания показали высокие технические характеристики и надежность разработанных систем.
Эта же технология используется для создания электромеханических накопителей энергии, работающих с частотой вращения до сотен тысяч оборотов в минуту. Увеличение частоты вращения позволяет резко сократить массогабаритные характеристики вышеупомянутых устройств, что открывает новые возможности их применения.
