ВЫРАВНИВАТЕЛЬ НАГРУЗКИ Российский патент 1998 года по МПК H02J3/30 H02J15/00 H02K31/00 H02K13/00 H02K25/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для приведения режимов электропотребления в строгое соответствие со структурами генерирующих мощностей энергоисточников (1).

Выравниванию графиков электрических нагрузок посвящено множество работ (1, 2, 3, 4, 5), но единственное, что предлагается и фактически используется на практике для обеспечения резкопеременного энергопотребления - это переход с аналогового принципа непрерывного регулирования активной мощности агрегатов электрической системы к дискретному принципу - регулированию за счет включения или отключения специальных упрощенных агрегатов, работающих в одном или нескольких фиксированных режимах (2).

Однако для энергоисточников, работающих в пиковом или полупиковом режимах, дискретность управления нежелательна, поскольку не соответствует реальным аналоговым (непрерывным) изменениям нагрузки. Конечно возможно уменьшение единичной мощности агрегата дискретно регулируемой электростанции, но это противоречит современным тенденциям.

Чтобы реализовать преимущества дискретного управления необходимо применение принципиально новых устройств.

Перспективным со всех точек зрения можно считать устройство, позволяющее разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии, имеющее высокий КПД и вступающий в работу практически мгновенно (1).

Таким устройством может быть накопитель энергии (НЭ), который позволит: полностью выровнять графики нагрузок энергоисточников; обеспечить немедленный ввод в действие (за полупериод); значительно повысить статистическую и динамическую устойчивость энергосистемы; увеличить надежность электроснабжения и гарантировать качество электроэнергии.

В качестве НЭ рассматриваются пока что теоретические предложения по использованию емкостных и индуктивных накопителей с использованием явления сверхпроводимости (3).

Другие виды НЭ (например, химические) ввиду их малой эффективности как перспективные для большой энергетики не признаются.

Однако, как показали исследования (4, 5, 6), наибольшей удельной мощностью и энергоемкостью обладают маховиковые накопители из сверхпрочных волокон: кевлара, графита, кварца и т.д. (5).

Они имеют достаточно простое конструктивное исполнение, в процессе эксплуатации не требуют технического обслуживания, безопасны, время зарядного цикла у них гораздо меньше, чем, например, у электрохимических.

Но несмотря на то, что маховикам посвящено большое количество работ (4, 5, 6) вопросы разработки НЭ и в первую очередь вопросы рационального преобразования электрической энергии в механическую и обратно применительно к системам электроснабжения остаются открытыми (6).

Известны также выравниватели нагрузки, содержащие маховиковые накопители и бесступенчатую трансмиссию транспортных средств (4), но они не решают главную задачу плавной регулировки силы тяги в соответствии с условиями движения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому из выявленных аналогов (прототипом) может быть принят НЭ, содержащий униполярную машину постоянного тока с маховиком, соединенную с индуктивным накопителем энергии (7, стр.8).

Но такие накопители энергии низковольтны и предназначены для работы только в импульсном режиме. При работе в длительном режиме задача создания надежного высокоскоростного контакта по-прежнему актуальна.

Целью изобретения является создание выравнивателей нагрузки, пригодных для практического применения в системах электроснабжения, обладающих более высокими КПД преобразования и удельной энергоемкостью, отсутствием потерь в дежурном режиме, легкостью управления при работе, универсальностью по роду тока как зарядного, так и разрядного циклов.

Цель достигается органическим объединением и взаимным дополнением свойств и достоинств витого супермаховика, самоцентрирующей магнитной опоры, дисковых униполярных электрических машин и управляемого термоэмиссионного генератора.

Сущность изобретения заключался в том, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально единый явнополюсный ротор (якорь) двух совмещенных дисковых униполярных машин электромагнитного возбуждения с общим центральным термоэмиссионным или скользящим токосъемом и раздельными периферийными термоэмиссионными токосъемами с сеточным управлением по частоте, например, от нерегулируемого питающего энергоисточника.

При этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников скольжения на основе твердых самосмазывающихся электропроводных материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема выполнен охлаждаемым, а нагреваемые катоды периферийных токосъемов и катушки возбуждения разделены охлаждаемым экраном. В варианте применения выравнивателя нагрузки на передвижных энергоустановках якори двух дисковых униполярных машин вместе со ступицей супермаховика подвижно закреплены в изолированных от корпуса подшипниках-токосъемах на основе твердых самосмазывающихся электропроводных материалов с возможным использованием явления сверхнизкого трения.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие выравнивателей нагрузки с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают выравнивателю нагрузки новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный оси вращения ротора разрез выравнивателя нагрузки в варианте стационарной энергоустановки; на фиг. 2 показан продольный разрез выравнивателя нагрузки в варианте передвижной энергоустановки.

Выравниватель нагрузки состоит из герметичного корпуса 1 с силовыми 2 и управленческими 3 электрическими выводами, зарядно-разрядного электромашинного органа 4 и маховикового накопителя энергии 5.

Зарядно-разрядный электромашинный орган 4 представляет собой две дисковые униполярные машины электромагнитного возбуждения с бесконтактным управляемым термоэмиссионным токосъемом, а маховиковый накопитель энергии 5 - массивный обод, навитый из высокопрочных нитей или супермаховик.

Внутри корпуса 1 на радиально-осевой магнитной опоре 6 вертикально закреплен вал 7 совмещенного якоря 8 униполярных машин, состоящих из статорного магнитопровода 9, катушки возбуждения 10, периферийного токосъема 11 с управляющей сеткой 12 и общего центрального токосъема 13, работающего по принципу термоэмиссионного генератора. При этом подвижный катод К центрального токосъема 13 нагревается токами высокой частоты от неподвижной обмотки 14, а анодом А служит охлаждаемый стакан 15, изолированный от корпуса 1 и статора 9 униполярных машин. Неподвижный катод одного или нескольких распределенных по окружности периферийных токосъемов 11 может нагреваться прямыми токами накала.

Для защиты катушки возбуждения 10 от теплоизлучения катода периферийного токосъема 11 предусмотрен экран 16, который может быть выполнен в виде канала 17 водяного (воздушного) охлаждения (см. фиг.1).

Магнитная опора 6 состоит из подвижной 6а и неподвижной 6б частей; представляет собой два конусообразных диска постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов и кобальта, намагниченных вдоль оси и встречно.

В общем случае при необходимости магнитная опора будет состоять из расчетного количества пар подвижных 6а и неподвижных 6б дисков до полного уравновешивания веса подвижных частей выравнивателя нагрузки, самоцентровка которых обеспечивается конусообразной формой дисков 6а и 6б.

Подвижный диск 6а магнитной опоры 6 одновременно может служить ступицей ободкового супермаховика 5, навитого, например, из стекловолокна, нитей бора, кевлара, графита, кварца, полимеров и т.д.

Массивный обод, навитый из сверхпрочных волокон обеспечит высокую плотность накопленной энергии и безопасный (безосколочный) выход из строя в случае превышения предельно-допустимой окружной скорости вращения маховика.

Если это стальная проволока прочностью 5000 н/мм², то удельная энергоемкость выравнивателя нагрузки составит 3•10 Дж/кг. Графитовое волокно или кевлар обеспечит энергоемкость 10⁶ Дж/кг. Кварцевые волокна (получены в 70-х годах) прочностью 37000 н/мм² и плотностью в два раза больше, чем у графита, обеспечат удельную энергоемкость свыше 5•10⁶ Дж/кг или 1400 Вт•ч/кг. Новые материалы из углерода со структурой графита и алмаза обеспечат плотность энергии 2400 и 4200 Вт•г/кг.

Для сравнения накопители на основе сверхпроводимой индуктивности могут дать только 100 Вт•ч/кг (5, стр.88). Следует иметь в виду, что уже получены (в 1996 году) полимерные материалы, превосходящие по прочности и жаростойкости алмазы.

Поскольку магнитная опора 6 обладает сравнительно малой жесткостью, для исключения разрушения ротора при случайном толчке якорь 8 выполнен цилиндрическим совмещенным с подвижной частью магнитопровода с возможностью значительного осевого перемещения вверх и вниз до упоров 18 и отсутствием такой возможности радиального перемещения за счет фиксации в подшипнике скольжения 19.

Для целей электромагнитного удержания (и возвращения) якоря 8 в нормальное среднее положение служит и явнополюсное его исполнение за счет двух (по числу униполярных машин) кольцевых выточек 20.

Ограничители осевого 18 и радиального 19 перемещения представляют собой подшипники скольжения с твердой смазкой, т.к. жидкие смазки в вакууме не работоспособны.

В качестве твердой смазки могут быть использованы различные композиции с наполнителями из дисульфида молибдена или более термостойкого дисульфида вольфрама, который выдерживает температуру до 3000^oC. Например, самосмазывающийся материал, состоящий из смеси дисульфида молибдена, графита, золота и силиката натрия (8, стр.126-128), обеспечивает работоспособность подшипников в вакууме в интервале температур от -65 до +800^oC при рабочем давлении до 3000 кГс/см². При этом коэффициент трения в зависимости от давления меняется от 0,15 до 0,05.

И поскольку композиции твердой смазки могут быть выполнены электро- или магнитопроводными без ущерба для их смазывающих свойств, появляется возможность их попутного использования в качестве центрального токосъема по валу 7.

Применение выравнивателя нагрузки в электрических тяговых системах транспортных средств, где требуется повышенная жесткость опор из-за значительного гироскопического эффекта, может определить вариант отсутствия магнитной опоры 6 и использования подшипников 18 и 19 не только по своему прямому назначению, поскольку допускают скорости вращения порядка 10⁴ - 10⁵ об/мин, но и в качестве скользящего токосъема. По крайней мере один из них - верхний 19, как наименее нагруженный (см. фиг. 2). А создание условий для сверхнизкого трения облучением одной из трущихся поверхностей ускоренными частицами, например атомами гелия или бомбардировкой электронами в вакууме, возможно снижение коэффициента трения до сотых и тысячных долей единицы (8, стр.30 - 31).

Таким образом, работоспособность опор может быть обеспечена при любых условиях применения выравнивателя нагрузки.

Но не менее сложной задачей является решение проблемы токосъема.

Для исключения зависимости потерь скользящего контакта, без которого униполярные машины в принципе не возможны, от скорости вращения в условиях вакуума применения термоэмиссионного токосъема представляется единственно возможным и оправданным.

Как уже отмечалось, якорь 8 для обеспечения значительного осевого перемещения выполнен цилиндрическим. Но по принципу действия - это дисковая униполярная машина, поскольку направление тока нагрузки - от образующей цилиндра к центру (к валу 7).

Для обеспечения такого направления тока нагрузки униполярные машины снабжены раздельными периферийными токосъемами (11). Они выполнены неподвижными и располагаются по окружности между полюсами магнитопровода статора 9. Анодом же служат края совмещенного якоря 8 в месте кольцевых выточек 20. Общим катодом K центрального токосъема 13 является выход вала 7, противоположный опорному (см. фиг. 1). Через него же может осуществляться скользящий токосъем в варианте фиг. 2.

Как известно, минимальная рабочая температура катодов должна быть 700-800^oC.

Внутри корпуса 1 создается разряжение порядка 10^-7 - 10^-8 мм рт.ст. В среде столь разреженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно, а нужная величина снимаемого тока нагрузки обеспечивается расчетной площадью нагреваемого катода. Например, импрегнированный катод может дать токосъем 8 А/см² при температуре 1000^oC (9, стр.45).

Важной особенностью термоэмиссионного токосъема является независимость потерь в нем от скорости вращения якоря 8. Кроме этого, если анод А охлаждать, то возможно получение прироста, а не падения напряжения в таком "скользящем" контакте (10, стр.53-59).

Для обеспечения неизменности принятого расположения катодов и анодов в зарядном и разрядном циклах принят электромагнитный способ создания магнитного потока Ф, полярность которого в этом случае легко изменить изменением направления тока в обмотке возбуждения 10, т.е. режим работы (зарядный или разрядный) при неизменном направлении вращения якоря 8 определяется направлением регулируемого в широких пределах тока в обмотке возбуждения 10.

Питание якоря 8 постоянным или переменным (бесконтактный токосъем работает выпрямителем при постоянном потенциале управляющей сетки 12) током через вывод 2 периферийного токосъема 11 и вывод (поверхность А) центрального токосъема 13 при наличии накала катодов и магнитного потока возбуждения обусловит по закону электромагнитных сил разгон ротора и накопление энергии в маховике 5, пропорциональное квадрату скорости его вращения.

Дежурный режим характеризуется отключением нагрева катодов периферийного 11 и центрального 13 токосъемов и снятием тока возбуждения. При этом все виды потерь будут отсутствовать, а энергия храниться длительное время.

Возобновление питания нагреваемых катодов, управляющей сетки 12 и перемена направления тока возбуждения в обмотке возбуждения 10 обусловит разрядный режим работы выравнивателя нагрузки.

При этом ЭДС, развиваемая униполярным генератором, будет равна е = -dФ/dt или е = п . Ф, т.е. пропорциональна скорости вращения якоря 8 и пронизывающего его магнитного потока Ф, а характер и величина управляющего потенциала сетки 12 по нелинейному закону обусловит характер и величину выходного напряжения в пределах одного полупериода, например положительного. Другой полупериод электронным переключением силовых цепей может быть получен от другого выравнивателя нагрузки.

При этом задатчиком частоты может служить сама питающая сеть.

Это для получения переменного тока. Для постоянного тока нужды во втором агрегате нет.

Несмотря на то, что в принципе в получении единичной мощности и энергоемкости ограничений нет, в общем случае описанную конструкцию надо рассматривать как элемент, последовательно-параллельное соединение которых позволит получить любой диапазон по энергоемкости, напряжению, току и, следовательно, мощности.

Разумеется, наибольший интерес для систем электроснабжения представляет одновременный эарядно-разрядный режим, позволяющий наиболее эффективно реализовать принцип раздельного регулирования энергоисточника и потребителя за счет разнесения по времени процессов выработки и потребления электроэнергии.

Особенно важны широкие возможности предложенного выравнивателя нагрузки по регулированию и поддержанию любых параметров электроэнергии (в рамках расчетной энергоемкости), т.к. общий регулировочный диапазон и располагаемая мощность возрастает в три раза при неизменной мощности энергоисточника (1).

А вообще экономическая эффективность функционирования предлагаемого выравнивателя нагрузки определяется следующей суммой слагаемых: экономия, связанная с уменьшением капиталовложений в генерирующее оборудование и линии электропередач; экономия, связанная с выравниванием графика нагрузки; экономия, связанная с уменьшением потерь электроэнергии на участках между электростанцией и местом установки выравнивателя нагрузки; экономия, связанная с исключением перерывов в электроснабжении потребителей и ухудшением качества электроэнергии; экономия, связанная с оптимизацией географического расположения энергоисточников.

И поскольку выравниватель нагрузки по надежности и удельной энергоемкости на порядок выше любого энергоисточника, применение его делает энергоснабжение потребителей гарантированным даже от ветроэнергоустановок.

Использованная литература.

1. Астахов Ю.М., Бурковский Е.Н., Тер-Газарян А.Г. Дискретно регулируемые агрегаты в энергетике, - Электричество, N 1, 1996, с. 87-89.

2. Журавлев В.Г. Дискретно регулируемые агрегаты в энергетике, - Электричество N 5, 1987.

3. Астахов Ю.М. и др. Функциональные возможности накопителей энергии, - Электричество N 4, 1983.

4. Л.Мани. Транспорт, энергетика и будущее, - М.: Мир, 1987.

5. Гулиа Н.В. Накопители энергии, - М.: Наука, 1980, с. 88.

6. Ледовский А. Н., Литвинов И.И. Новиков М.Э. Тимофеева А.Т. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энергии. - Электричество N 3, 1978.

7. Униполярные электрические машины, доклады, конференции, М., март 1969, с. 8 (прототип).

8. А. А.Силин. Трение и его роль в развитии техники. - М.: Наука, 1983, с. 30-31, с 126-128.

9. Х. Менке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник, том. II. -М.-Л.: Госэнергоиздат. 1962, с.45.

10. Рогинский В.Ю. Современные источники питания, Энергия, 1969. (с.53 - 59).

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и позволяет привести режимы электропотребления в соответствие со структурами генерирующих мощностей энергоисточников. Отличительной особенностью выравнителя нагрузки является то, что в герметичном корпусе, где создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально единый явнополюсный якорь двух совмещенных дисковых униполярных машин электромагнитного возбуждения с общим центральным термоэмиссионным или скользящим токосъемом и разделительными периферийными термоэмиссионными токосъемами и сеточным управлением по частоте. При этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся электропроводных материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема выполнен охлаждаемым, а нагреваемые котоды периферийных токосъемов и катушки возбуждения разделены охлаждаемым экраном. Изобретение обеспечивает режимы одновременной или раздельной зарядки и разрядки, рекуперацию и необходимую длительность хранения энергии в дежурном режиме при рекордных показателях удельной энергоемкости и экономичности преобразования энергии. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Выравниватель нагрузки для приведения режимов электропотребления в соответствие со структурой генерирующих мощностей энергоисточников, содержащий маховиковый накопитель энергии, зарядно-разрядный электромашинный орган и систему управления, отличающийся тем, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально единый явнополюсный якорь двух совмещенных дисковых униполярных машин электромагнитного возбуждения с общим центральным термоэмиссионным или скользящим токосъемом и раздельными периферийными термоэмиссионными токосъемами с сеточным управлением по частоте, например, от нерегулируемого питающего энергоисточника, при этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся электропроводных материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема выполнен охлаждаемым, а нагреваемые катоды периферийных токосъемов и катушки возбуждения разделены охлаждаемым экраном. 2. Выравниватель нагрузки по п.1, отличающийся тем, что для повышения жесткости опор якори двух дисковых униполярных машин вместе со ступицей супермаховика подвижно закреплены в изолированных от корпуса подшипниках-токосъемах на основе твердых самосмазывающихся материалов с возможным использованием явления сверхнизкого трения.