ЭЛЕКТРОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F04D15/00 

Изобретение относится к насосостроению, преимущественно к электронасосным установкам, использующим для водоподъема энергию ветра и солнца с применением в качестве энергоисточника, например, ветроэлектрических (ВЭГ) и/или солнечных фотоэлектрических генераторов (СФЭГ).

Известен ветроэлектрический насосный агрегат, содержащий ветроколесо, кинематически связанный с ним электрогенератор, подключенный к выпрямителю, выход которого подсоединен через управляемый ключ к электромагнитному объемному насосу с образованием замкнутого контура, и подключенный к нему параллельно выпрямителю конденсаторный накопитель, а в контур параллельно накопителю включено пороговое устройство, выход которого соединен с ключом.

Известна также электронасосная установка, содержащая источник электрической энергии в виде фотоэлектрического преобразователя, подключенный через управляемый ключ к электромагнитному насосу, снабженному ферромагнитным якорем, с образованием замкнутого контура, и включенные в последний параллельно источнику конденсаторный накопитель и пороговое устройство, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а насос снабжен датчиком положения якоря, а ключ - вторым управляющим входом, причем датчик подключен к последнему.

Известно устройство для управления электронасосной установкой, выбранное в качестве прототипа, содержащее источник электрической энергии, выход которого подсоединен через управляемый ключ к электромагнитному насосу с образованием замкнутого контура, и подключенный параллельно источнику конденсаторный накопитель и пороговый элемент. Устройство снабжено формирователем импульсов фиксированной длительности, вход которого подключен к выходу порогового элемента, а выход - к входу управляемого ключа. Источник энергии выполнен в виде фотоэлектрического или ветроэлектрического генератора.

Электрическая энергия, вырабатываемая фотоэлектрическим или ветроэлектрическим генератором, аккумулируется в конденсаторном накопителе и при достижении заданного ее уровня отдается в электромагнитный насос. Процессы аккумулирования и выдачи энергии периодически повторяются и согласуются с мощностью на выходе источника.

Известное устройство формирует и подает в насос импульсы энергии фиксированной амплитуды и длительности, что обеспечивает эффективную и устойчивую работу насоса в широком диапазоне мощности энергоисточника. Однако, как указанным выше аналогам, так и прототипу, присущ общий недостаток, заключающийся в бесполезном расходовании энергии, запасаемой в магнитной цепи привода насоса в моменты периодического отключения катушки привода от тока (явление самоиндукции). Эта энергия, образованная под действием ЭДС самоиндукции, затрачивается на излучение и рассеяние. Кроме того, в прототипе необходимо использовать управляемый ключ с допустимым рабочим напряжением, во много раз превышающим рабочее напряжение энергоисточника, или применять известные устройства, например диодные или диодно-стабилитронные приемники энергии, ограничивающие напряжение самоиндукции на уровне допустимого значения. Таким образом, устройство, описанное в прототипе, имеет невысокий КПД и недостаточно высокую производительность из-за неиспользования энергии самоиндукции в катушке привода насоса.

Целью изобретения является повышение КПД и производительности установки.

Сущностью изобретения является то, что в отличие от прототипа установка снабжена вторым управляемым ключом и двумя диодами, при этом второй управляемый ключ включен в замкнутый контур между конденсатором и насосом, управляемый вход ключа соединен с выходом формирователя импульсов, а диоды подключены к контуру с возможностью периодического возврата электроэнергии от насоса в конденсатор при закрытии ключей.

Особенностью подключения диодов к контуру является такое их расположение в схеме установки, что анод первого и катод второго диодов подключены соответственного к минусу и плюсу источника энергии или накопителя, а катод первого и анод второго диодов - к плюсу и минусу источника энергии через управляемые ключи.

Изобретение содержит следующую совокупность существенных признаков.

Признаки, общие с прототипом.

1. Источник электрической энергии, подключенный через управляемый ключ к насосу с образованием замкнутого контура.

2. Конденсаторный накопитель и пороговое устройство, подключенные параллельно источнику.

3. Формирователь импульсов фиксированной длительности, включенный между выходом порогового устройства и управляющим входом ключа.

Отличительные признаки
1. Второй управляемый ключ, включенный в замкнутый контур между конденсаторным накопителем и насосом, входом управления соединенный с выходом формирователя импульсов.

2. Наличие двух диодов, подключенных к контуру с возможностью периодического возврата электроэнергии от насоса в накопитель при закрытии ключей.

Данная совокупность отличительных признаков и электрических связей не найдена в известных источниках и поэтому предлагаемое техническое решение обладает новизной и имеет высокий технический результат, заключающийся в повышении КПД и производительности установки.

На фиг. 1 изображена блок-схема электронасосной установки; на фиг. 2 - общий вид электронасоса с блоком управления; на фиг. 3 - общий вид ветроэлектрического генератора (ВЭГ) и солнечного фотоэлектрического генератора (СФЭГ).

Электронасосная установка содержит источник электрической энергии 1, подключенный через управляемый ключ 2 к электромагнитному насосу 3 с образованием замкнутого контура, включенные в последний параллельно источнику 1 конденсаторный накопитель 4 и пороговое устройство 5, формирователь импульсов фиксированной длительности 6, вход которого соединен с выходом порогового устройства 5, а выход - с входом управляемого ключа 2. Установка снабжена вторым управляемым ключом 7 и двумя диодами 8, 9, при этом второй управляемый ключ 7 включен в замкнутый контур между накопителем 4 и насосом 3, управляемый вход второго ключа 7 соединен с выходом формирователя импульсов 6, а диоды 8, 9 подключены к контуру с возможностью периодического возврата электроэнергии от насоса 3 в накопитель 4 при закрытии ключей 2 и 7.

Электронасосная установка работает следующим образом.

Вырабатываемый источником 1 ток заряжает конденсаторный накопитель 4. Пороговое устройство 5 фиксирует заданную величину напряжения заряда накопителя 4, вырабатывая при этом управляющий импульс, по переднему фронту которого запускается формирователь импульсов 6. По сигналу формирователя импульсов 6 открываются ключи 2 и 7, в результате происходит разряд накопителя 4 на электромагнитный привод насоса 3. По истечении заданного времени с момента запуска формирователя 6 выходной сигнал последнего закрывает ключи 2 и 7 и разряд накопителя 4 прекращается. При закрытии ключей 2 и 7 ток электромагнитного привода насоса 3 под действием ЭДС самоиндукции через диоды 8 и 9 течет обратно в конденсаторный накопитель 4, частично подзаряжая последний. Затем происходит очередной цикл заряда накопителя 4 с последующим его разрядом и возвратом запасенной энергии. За каждый разрядно-зарядный цикл накопителя 4 насос 3 совершает один рабочий такт (подъем определенной порции воды). Таким образом, элементы установки 2, 7, 8 и 9 образуют систему рекуперации (возврата) запасенной в электромагнитном приводе насоса 3 энергии в конденсаторный накопитель 4, обеспечивая тем самым ее последующее использование, что повышает КПД и производительность установки по сравнению с прототипом.

В ряде случаев возникает необходимость гарантированной водообеспеченности на объекте, что не всегда может быть достигнуто при непосредственном использовании ветровой и солнечной энергии. С этой целью в качестве источника энергии в установке может быть применена аккумуляторная батарея. Подключение аккумулятора к конденсаторному накопителю 4 в этом случае должно производиться через токоограничивающее сопротивление. Что касается подзарядки аккумуляторной батареи, то она может быть осуществлена и от вышеуказанных ВЭГ или СФЭГ. При использовании низковольтных аккумуляторов и электромагнитных насосов с более высоким напряжением питания возможно применение преобразователя напряжения, например конвертора. Включение конвертора в этом случае должно быть произведено между аккумуляторной батареей и конденсаторным накопителем 4. Схемы построения подобных преобразователей постоянного напряжения общеизвестны.

В результате проведенных исследований разработан и изготовлен экспериментальный образец электромагнитного насоса 3 с электронным блоком управления, построенным по предложенному техническому решению. Общий вид электронасоса 3 с блоком управления представлен на фиг. 2. Масса электронасоса 3 кг, а блока управления - 1,6 кг. В блоке применен конденсаторный накопитель типа К50-18 емкостью 0,02Ф. Управляемые ключи выполнены на кремниевых транзисторах разной структуры.

Проведены испытания изготовленного экспериментального образца от источника энергии изменяющейся мощности. Испытания определили эффективную и устойчивую работу насоса в широком диапазоне мощности энергоисточника при ее снижении в 15-20 раз от номинального значения (см. ниже табл. 2). Работоспособность электронасоса с конденсаторным накопителем в широком диапазоне мощности энергоисточника дает возможность эффективно использовать для водоподъема низкопотенциальные уровни ветровой и солнечной энергии.

Проведены испытания электронасоса с блоком управления при работе от ВЭГ с диаметром ветроколеса 1 м, номинальной мощностью 50 Вт (масса ВЭГ - 16 кг) и от СФЭГ номинальной мощностью 32 Вт, массой 22 кг. Общий вид ВЭГ и СФЭГ представлен на фиг. 3. Испытания подтвердили эффективное использование для водоподъема низкопотенциального диапазона скоростей ветра, начиная с 2,5 м/с и уровней солнечного излучения от 125 Вт/м².

Установлено также, что использование в электронасосной установке энергоисточников меньшей или большей мощности (10-100 Вт) обеспечивает пропорциональное изменение расчетной производительности электронасоса с сохранением энергетических параметров насоса и блока управления.

Определение годового экономического эффекта от применения предложенного технического решения проведем на примере использования энергии ветра. В качестве базовой выбрана водоподъемная ветроустановка ВЭУ-50, содержащая шестилопастный ветродвигатель с магнитоэлектрическим генератором мощностью 50 Вт и электромагнитный насос, управление которым осуществляется устройством по прототипу.

Расчет проведем на сравнение дополнительной годовой выработки воды за счет применения в установке предложенного устройства управления. При этом объектом использования установки приняты пастбищные районы Казахстана, имеющие среднегодовую скорость ветра v_с.г. = 5 м/с.

В табл. 1 приведены данные повторяемости скорости ветра для районов v_с.г. = 5 м/с, взятые по Гриневичу.

Годовая выработка ветроустановкой определяется выражением:
A_год= Q_it_vi+Q_нt_vi, где v_min - скорость ветра, соответствующая началу производительной работы установки, м/с;
v_i - текущее значение скорости ветра;
v_p - расчетная скорость ветра, соответствующая номинальной производительности установки;
v_max - максимальная скорость ветра;
Q_i - производительность установки, соответствующая v_i, м³/ч;
Q_н - номинальная производительность установки, постоянная в диапазоне v_p≅ v_i≅ v_max, при условии ограничения в этом диапазоне на уровне номинальных значений частоты и напряжения генератора;
t_vi - продолжительность скорости ветра v_i, r.

В табл. 2 приведены данные производительности электромагнитного насоса в режиме переменной мощности энергоисточника, полученные экспериментально при работе насоса в составе устройства-прототипа и предлагаемого (с рекуперацией энергии).

Для определения годовой выработки произведем расчет мощности на выходе выпрямителя генератора ВЭУ-50 для различных скоростей ветра.

Р_г = 0,481D_B²v³ζη_гη_B, Вт, где D_В - диаметр ветроколеса ВЭУ-50, м;
ζ- коэффициент использования энергии ветра;
η_г- КПД генератора;
η_B- КПД выпрямителя.

Для ВЭУ-50: D_B = 1 м; ζ= 0,35; η_г= 0,6; η_B = 0,9.

При скорости ветра более 8 м/с обеспечивается ограничение частоты вращения ветроколеса, а следовательно, и мощности на выходе генератора.

Данные расчета сведены в табл. 3.

В табл. 3 приведены данные по производительности электронасоса, соответствующей рассчитанным мощностям. Определение производительности производилось с использованием графических зависимостей, построенных на основании табл. 2.

Окончательно, имея все необходимые данные, определяют годовую выработку установкой, управляемой базовым и предлагаемым устройствами.

А_бу.год = 0,02˙ 1104 + 0,048˙ 1069 + +0,092 ˙972 + 0,162 ˙850 + 0,252˙ 675 + +0,375˙ 1883 = 1177 м³ ;
А_ну,год = 0,032 ˙1104 + 0,067 ˙1069 + +0,13 ˙972 + 0,238˙ 850 + 0,35˙ 675 + +0,495˙ 1883 = 1604 м³ .

Дополнительная выработка воды составляет
А_{доп.год} = 1604-1177 = 427 м³.

Принимая стоимость 1 м³ воды в условиях пастбищного животноводства 0,53 руб. , годовой экономический эффект на одну установку от превышения выработки составляет
Э_г = 427˙ 0,53 = 226 руб. (56) Авторское свидетельство СССР N 1100432, кл. F 04 D 15/00, 1982.

Использование: в насосостроении, преимущественно в электронасосных установках, использующих для водоподъема энергию ветра и солнца. Сущность: ток от источника 1 заряжает конденсаторный накопитель 4. Пороговое устройство 5 фиксирует заданную величину напряжения заряда накопителя, вырабатывая при этом управляющий импульс, по переднему фронту которого запускается формирователь импульсов 6. По сигналу формирователя импульсов открываются ключи 2 и 7, в результате происходит разряд накопителя 4 на электромагнитный привод насоса 3. По истечении заданного времени с момента запуска формирователя импульсов выходной сигнал последнего закрывает ключи и разряднакопителя прекращается. При закрытии ключей ток электромагнитного привода насоса под действием ЭДС самоиндукции через диоды 8 и 9 течет обратно в накопитель, подзаряжая последний. Тем самым происходит рекуперация энергии, что повышает КПД и производительность установки в поднятой воде. 3 ил.

ЭЛЕКТРОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА, содержащая источник электрической энергии, подключенный через управляемый ключ к электромагнитному насосу с образованием замкнутого контура, а также включенные в последний параллельно указанному источнику конденсаторный накопитель, пороговое устройство и формирователь импульсов фиксированной длительности, вход которого соединен с выходом порогового устройства, а выход - с входом управляемого ключа, отличающаяся тем, что она снабжена вторым управляемым ключом и двумя диодами, при этом второй управляемый ключ включен в замкнутый контур между накопителем и насос, управляемый вход второго ключа соединен с выходом формирователя импульсов, а диоды подключены к контуру, причем один из них входом - к накопителю и выходом - к насосу, а другой входом - к насосу и выходом - к накопителю, с возможность периодического возврата электроэнергии от насоса в накопитель при закрытии ключей.