ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B71/04 H02K35/02 

Изобретение относится к производству электроэнергии посредством однофазного возвратно-поступательного генератора и теплового поршневого двигателя, например, внутреннего сгорания (ДВС). Предлагаемая электростанция предназначена преимущественно для питания тепловых и осветительных электроприборов.

В настоящее время практически вся электроэнергия производится в 3-фазной форме на центральных электростанциях (ЦЭС) посредством турбогенераторов. Однако большая часть электроэнергии используется в однофазной форме для питания нагревательных и осветительных приборов. В однофазной форме электроэнергию целесообразно производить посредством возвратно-поступательного генератора и поршневого двигателя на небольшой электростанции, расположенной вблизи потребителя, что существенно повысит КПД. Однофазную электростанцию возвратно-поступательного движения обозначим ОЭ, генератора, электрическую машину возвратно-поступательного движения ВПЭМ, в отличие от ротационной электрической машины, РЭМ.

Электростанции возвратно-поступательного движения, содержащие тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор и систему автоматического регулирования теплосодержания топливовоздушной смеси известны (прототип: электростанция по а.с. СССР 1455010, кл. F 02 В 71/00, приоритет 1987). В известной возвратно-поступательной электростанции ДВС функционирует по двухтактному термодинамическому циклу без маховика, а следовательно, без преобразования возвратно-поступательного движения поршня в однонаправленное вращение. Отказ от 4-тактного традиционного ДВС с неизбежным маховиком не упрощает, а усложняет конструкцию возвратно-поступательной электростанции, т. к. требует дополнительных устройств для приготовления топливовоздушной смеси вне цилиндра поршневого комплекта, например, таких как в европейском патенте 0828928 В1, кл. F 02 B 71/04, 1995 г. Изобретатель Kvamsdal, Rolf (Норвегия). Поэтому в ОЭ имеется дополнительный кривошипно-шатунный механизм (КШМ), что позволяет использовать, как 2-, так и 4-тактный ДВС. Кривошипный вал дополнительного КШМ ОЭ работает с маховиком практически вхолостую, нагруженный только механизмами газораспределения ДВС. Скорость вращения кривошипного вала подстраивается под нагрузку генератора (ВПЭМ) ОЭ.

Генератор ОЭ описан, например, во французском патенте 2542810, кл. F 02 В 75/28, 1982. Магнитопровод генератора этого патента выполнен с двумя парами одинаковых неподвижных противопоставленных параллельных П-образных частей. Торцы пары П-частей лежат в одной плоскости и на каждой П-части пары установлена частичная катушка силовой обмотки переменного тока, а на паре П-частей катушка постоянного тока возбуждения. Ниже плоскости торцов перпендикулярно торцам на штоке установлен магнитопроводный прямоугольный плоский индуктор, составной или цельный. Расстояние между внешними гранями индуктора равно сумме ширины торца П-части и расстояния между П-частями пары. Частичные силовые обмотки соединены согласно в единую силовую обмотку генератора, а индуктор укреплен на штоке, установленном подвижно на опорных плоскостях, соединенных с фундаментом.

Мощность тепло- и световыделения тепловых и осветительных электроприборов пропорциональна эффективному значению напряжения (см. любой печатный курс теоретической электротехники, раздел "переменный ток"). Связь между мощностью и эффективным напряжением определяется выражением

где Р - мощность, U - эффективное напряжение, U_a - амплитудное напряжение, R - сопротивление.

Вследствие инерционности восприятия тепла и света тепловых и осветительных электроприборов изменение частоты напряжения, превышающей 5-7 Гц, несущественно для человека. Поэтому поддержание в ОЭ неизменного амплитудного значения напряжения, близкого к синусоидальному, которому пропорционально эффективное значение, означало бы, что тепло- или световыделение электроприбора соответствует его номинальной мощности.

Известные однофазные электростанции вне зависимости от воли изготовителя предназначены преимущественно для питания тепловых и осветитительных электроприборов и потому эти электростанции не нуждаются в регуляторе частоты или скорости, однако непременно им снабжаются.

Существо изобретения состоит в том, что электростанция возвратно-поступательного движения с однофазным генератором содержит систему автоматического регулирования, снабженную датчиком амплитудного значения напряжения, воздействующую на расход топлива поршневого двигателя привода генератора в направлении поддержания заданного значения амплитудного напряжения. Отказ от регулятора частоты (или скорости) существенно упрощает систему регулирования.

На фиг.1 изображена предлагаемая электростанция в одном из вариантов исполнения (без системы регулирования). ВПЭМ подставлена в упрощенной фронтальной проекции. На фиг.2 показана блок-схема варианта системы автоматического поддержания заданного амплитудного напряжения с приводом ВПЭМ посредством ДВС.

В ОЭ (фиг.1) магнитопровод генератора (ВПЭМ) состоит из двух одинаковых половин и подвижной части - индуктора. На фиг.1 пронумерованы лишь детали половины неподвижного магнитопровода, необходимые для понимания принципа действия.

Генератор снабжен двумя парами одинаковых неподвижных противопоставленных параллельных П-образных частей 1 и 2 магнитопровода. Торцы каждой пары П-частей лежат в одной плоскости и на каждой П-части установлена частичная катушка 3 или 4 обмотки переменного силового тока, а на паре П-частей - катушка 5 обмотки постоянного тока возбуждения. Между П-частями ниже плоскости торцов перпендикулярно расположен магнитпроводный подвижный индуктор, состоящий из частей 6 и 7. Индуктор выполнен плоским, прямоугольным. Расстояние между внешними гранями индуктора равно сумме ширины торца П-части и расстояния между П-частями пары. Частичные катушки силовой обмотки соединены согласно в единую силовую обмотку генератора, а индуктор укреплен на штоке 8, установленном подвижно на опорных плоскостях 9, 10, соединенных с фундаментом. Внешние электрические цепи на фиг.1 не показаны. При рассмотрении фиг. 1 надо учитывать, что угол между штоком 8 и плоскостью чертежа равен 90^o. ВПЭМ униполярна. Именно униполярностью обусловлена простота силовой обмотки.

На фиг.1 представлены четыре поршневых комплекта 11÷14 ДВС, необходимых для осуществления симметричного четырехтактного термодинамического цикла, Отто или Дизеля. Комплекты составляют две поршневые группы с противофазными поршнями - нечетную 11, 13 и четную 12, 14.

Поршни соединены непосредственно со штоком 8 и шарнирно - с шатуном 15 дополнительного КШМ, шарнирно соединенным с головкой кривошипа 16 кривошипного вала 17, на котором установлен маховик 18.

Основным назначением КШМ является перевод поршня через "мертвые" точки при 4-тактном термодинамическом цикле и обеспечение синусоидальности ЭДС генератора, необходимой для полного расширения, а также в аварийных режимах предотвращает удары индуктора. Кроме того, дополнительный КШМ посредством распределительного вала движет механизмы газораспределения ДВС. На фиг.1 не показаны системы собственных нужд, традиционные для ДВС.

Пускают ДВС как обычно, стартером. При движении индуктора в активных проводниках частичных катушек силовой обмотки ВПЭМ наводятся ЭД силы движения. (Активные проводники - это части витков частичных катушек, находящиеся между П-частями). Соединение частичных катушек названо согласным потому, что ЭД силы, наводимые в катушках при движении индуктора 6, 7, суммируются.

Действие электрической машины, как генератора, так и двигателя, основано на индуктировании в силовой обмотке машины электродвижущей силы (ЭДС). Существует два представления о процессе индуктирования ЭДС. Первое - фарадеевское представление о пересечении движущимся проводником невидимых, но реальных силовых линий магнитного поля и второе представление - чисто формальное, основанное на положениях электродинамики Максвелла: ЭДС является следствием изменения потока магнитной индукции, пронизывающего виток, в котором измеряется ЭДС. (Сам Максвелл говорил о том, что его математические выводы основаны на представлении Фарадея). В данном случае этим двум физическим положениям соответствуют выражения:
е = с(В_)vl, [1];

где с - постоянная; е - электродвижущая сила (ЭДС); (В_) - в данном случае магнитная индукция постоянного поля возбуждения; v - скорость проводника в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции; l - длина проводника; Ф_~ - в данном случае поток магниой индукции переменного магнитногол поля, вызванного током частичной силовой обмотки, Ф_~ = (B_~)S, S - площадь витка обмотки, в которой измеряется ЭДС; t - время.

ЭДС, определенную по первому выражению, можно назвать ЭДС движения, т.к. по этому выражению индуктирование происходит вследствие движения проводника относительно силовых линий магнитного поля (или наоборот). ЭДС, определяемую по второму выражению, можно назвать ЭДС трансформации или ЭДС взаимоиндукции. В отношении числового результата определения ЭДС выражения [1] и [2] эквивалентны, т.к. математическими подстановками можно преобразовать одно в другое. Так как конец одной частичной катушки соединен с началом другой, т. е. согласно, то направления тока в катушках следует считать противоположными, а следовательно, должны отличаться знаки переменных потоков магнитных индукций в соответствующих П-частях, входящих в выражение [2], тогда как начала и концы активных сторон частичных катушек ориентированы относительно магнитного поля возбуждения единообразно. Таким образом, для частичных катушек, знаки магнитной индукции выражения [1] при ее изменении в пространстве одинаковы, а знаки магнитной индукции выражения [2] ее временного изменения противоположны. Эта реальность означает, что ЭД силы, обусловленные движением поля возбуждения относительно активных проводников частичных катушек, суммируются, а ЭД силы, обусловленные переменным силовым током, являющиеся для катушки 5 возбуждения ЭД силами трансформации, а для частичных катушек силовой обмотки ЭД силами взаимоиндукции, вычитаются и их результирующее значение равно нулю.

Поэтому, хотя в частях магнитопровода ВПЭМ магнитное поле переменного силового тока занимает тот же объем, что и магнитное поле постоянного тока возбуждения, ЭДС взаимоиндукции силовой обмотки ВПЭМ, беспазовой подобно обмоткам трансформатора, и, соответственно, ее индуктивное сопротивление будет меньше, чем обмотки равной мощности РЭМ.

Действие системы регулирования поясняет блок-схема на фиг.2. Теплосодержанием топливовоздушной смеси в карбюраторном ДВС управляет воздушная заслонка топливной системы, а в дизельном ДВС - плунжер топливного насоса. Чувствительным элементом системы автоматического регулирования является датчик амплитудного значения напряжения, а привод исполнительного органа, управляющего теплосодержащем топливовоздушной смеси, может осуществляться реверсивным шаговым электродвигателем. Структура системы автоматического регулирования, применяемой в ОЭ, является типовой.

В традиционном ДВС с кривошипно-шатунным механизмом частота возвратно-поступательных ходов поршня через расход топлива подстраивается под угловую скорость кривошипного вала. В ОЭ наоборот кривошипный вал дополнительного КШМ, вращающийся с маховиком практически вхолостую, подстраивается под частоту возвратно-поступательных ходов индуктора, задаваемую электрической нагрузкой генератора.

В России принята частота 50 Гц. Однако для ОЭ с нагрузкой тепловыми и осветительными электроприборами целесообразно увеличить частоту до значения, достижимого современными ДВС, до 100 Гц, например. Увеличение частоты приведет к значительному уменьшению габаритных размеров и веса.

Положительным качеством ОЭ будет значительно больший межремонтный период, чем передвижной ротационной электростанции с традиционным ДВС, т.к. в ОЭ дополнительный кривошипно-шатунный механизм, управляющий газораспределением, работает практически вхолостую и потому не будет эллипсоидного износа поршневых колец, ухудшающего компрессию. Надежность ОЭ будет существенно выше, а стоимость - существенно меньше вследствие лучшего использования электротехнических материалов. Но основным положительным качеством ОЭ будет полное использование доступной в термодинамическом цикле энергии топлива.

Однофазная электростанция (ОЭ) предназначена преимущественно для питания нагревательных, отопительных и осветительных электроприборов. При номинальной мощности 5-6 кВт ОЭ будет легкой, небольшой, доступной частному потребителю электроэнергии.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и позволяет повысить эффективность электростанций. Электростанция возвратно-поступательного движения содержит тепловой поршневой двигатель, генератор, систему автоматического регулирования теплосодержания топливовоздушной смеси и кривошипно-шатунный механизм с маховиком. Система автоматического регулирования содержит в качестве чувствительного элемента датчик амплитудного напряжения, постоянство установленного значения которого она поддерживает. 2 ил.

Электростанция возвратно-поступательного движения, содержащая тепловой поршневой двигатель, генератор и систему автоматического регулирования теплосодержания топливовоздушной смеси, отличающаяся тем, что снабжена дополнительным кривошипно-шатунным механизмом с маховиком, а система автоматического регулирования содержит в качестве чувствительного элемента датчик амплитудного напряжения, постоянство установленного значения которого она поддерживает.