ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С АСИНХРОННЫМ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 2006 года по МПК H02P9/48 H02P9/04 B60L11/02 B60L11/12 F02N11/04 

Изобретение относится к электрическим машинам с полупроводниковыми (вентильными) преобразователями электроэнергии и может быть использовано в автономных объектах, в частности автомобилях для генерирования электрической энергии и запуска приводного двигателя.

Известны электрические системы со стартер-генераторами на базе электрических машин переменного тока /1, 2/.

Известна также электрическая система с асинхронным стартер-генератором и вентильным преобразователем в цепи статора асинхронной машины, соединенной с валом приводного двигателя /3/. Она содержит накопитель электрической энергии (например, аккумуляторную батарею) в цепи постоянного тока, соединенный непосредственно с выводами той же полярности вентильного преобразователя. Управляющие выводы полупроводниковых элементов первого вентильного преобразователя соединены с выходами блока выходных каскадов устройства управления, входы которого подключены к выходам трехфазного генератора импульсов, вход которого соединен с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем, который содержит микропроцессорное устройство для регулирования частоты и амплитуды напряжения статора асинхронной машины в стартерном и генераторном режимах. Потребители постоянного тока системы соединены с шинами накопителя электрической энергии (например, аккумуляторной батареи).

Рассмотренная система позволяет осуществить эффективный управляемый запуск приводного двигателя от аккумуляторной батареи и вырабатывать электроэнергию для потребителей постоянного тока в генераторном режиме. Недостатком этой системы является невозможность ее применения в условиях появления потребителей постоянного тока двух уровней напряжения и невысокий кпд в генераторном режиме.

Цель изобретения - сделать возможным использование установки в условиях появления потребителей постоянного тока двух уровней напряжения и повышение кпд в генераторном режиме.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в энергетической установке с асинхронным стартер-генератором, по крайней мере одним накопителем электрической энергии и потребителями постоянного тока по крайней мере одного уровня напряжения, включающей асинхронную машину, вал которой соединен с валом первичного двигателя, а выводы обмотки статора соединены с выводами переменного тока первого вентильного преобразователя типа «автономный инвертор напряжения», имеющего управляющий вход, связанный с датчиком напряжения статора асинхронной машины, причем выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя соединены с выводами основного накопителя электрической энергии через второй вентильный преобразователь с шунтирующим управляемым ключом, выполненный по схеме преобразователя постоянного напряжения с управляющим входом, связанным с датчиком тока основного накопителя электрической энергии, а также выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя непосредственно соединены с потребителями постоянного тока первого уровня напряжения, причем установка снабжена третьим вентильным преобразователем с двумя управляющими входами и дополнительным накопителем электрической энергии, соединенным с потребителями постоянного тока второго уровня напряжения, выводы которого через третий вентильный преобразователь постоянного тока в постоянный, имеющий возможность передачи электрической энергии в двух направлениях, соединены с однополярными выводами первого вентильного преобразователя.

В качестве примера конкретного выполнения установки приведена установка с автомобильным асинхронным стартер-генератором.

На чертеже изображена блок-схема установки.

Вал асинхронной машины 1 соединен с валом двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 2. Фазы статора асинхронной машины соединены с выводами переменного тока А, В, С первого вентильного преобразователя (ВП1) 3, выполненного, например, в виде трехфазного мостового автономного инвертора напряжения с конденсатором (С_ф1) 4, выводы постоянного тока 5, 6 которого соединены с однополярными выводами импульсного конденсатора энергоемкого (ИКЭ) 7 через второй вентильный преобразователь (ВП2) 8 постоянного напряжения, выполненный, как в /3/. Второй вентильный преобразователь шунтирован управляемым нормально замкнутым ключом 8, вход которого через пороговый элемент (ПЭ) 10 подключен к выводам 5, 6 ВП1. Частота и амплитуда напряжений переменного тока первого вентильного преобразователя регулируются блоком автоматического управления (БАУ) 11, выход основной частоты 12 которого соединен со входом первого вентильного преобразователя. БАУ выполнен, например, как в /2/. На выводы А, В, С подключен датчик напряжения (ДН) 13, выход которого соединен со входом блока автоматического управления 11.

Датчик тока 14 в цепи ИКЭ 7, элемент сравнения 15, задатчик тока (ЗТ1) 16 и система управления (СУ1) 17, состоящая из регулятора тока и формирователя импульсов, как в /3/, составляют устройство управления током заряда ИКЭ.

При этом выход датчика тока 14 подключен на инвертирующий вход устройства сравнения 15, на неинвертирующий вход которого подключен задатчик 16 зарядного тока ИКЭ 7. Выход устройства сравнения 15 соединен со входом системы управления 17.

Выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя 3 непосредственно соединены с потребителями (П1) 18 первого уровня напряжения с электрическими нагрузками (H1) 19.

Выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя соединены с однополярными выводами третьего вентильного преобразователя (ВП3) 20, состоящего из понижающего импульсного преобразователя постоянного напряжения, включающего первый (VT1) 21 транзистор и первый (VD1) 22 диод, и повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения /4/, включающего второй (VT2) 23 транзистор и второй (VD2) 24 диод. ВП3 20 выполнен с общим индуктивным элементом (L) 25 (например, в виде сглаживающего дросселя), а также с емкостным фильтром (С_ф2) 26. Шины 27, 28 ВПЗ 20 соединены с дополнительным накопителем электрической энергии (аккумуляторной батареей) (G) 29 через датчик тока 30 и с потребителями постоянного тока (П2) 31 второго (пониженного) уровня напряжения. Причем управляющий вход понижающего преобразователя (база транзистора VT1) подключен к датчику тока 30 дополнительного накопителя электрической энергии G 29, а управляющий вход повышающего преобразователя (база транзистора VT2) подключен к датчику тока 15 ИКЭ 7.

Датчик тока 30 в цепи аккумуляторной батареи 29, элемент сравнения 32, задатчик тока (ЗТ3) 33 и система управления (СУ3) 34, выполненная аналогично СУ1, составляют устройство управления током заряда аккумуляторной батареи G 24.

Датчик тока 15, элемент сравнения 35, задатчик тока (ЗТ2) 36 и система управления (СУ2) 37, выполненная аналогично СУ1, составляют устройство управления повышающим преобразователем третьего вентильного преобразователя 16.

Потребители первого уровня напряжения для работы в расширенном диапазоне частот вращения вала асинхронной машины включают стабилизатор постоянного напряжения (СТ) 38, включенный между выводами постоянного тока вентильного преобразователя 3 и электрическими нагрузками 19.

Электрическая система с автомобильным асинхронным стартер-генератором работает следующим образом.

При повороте ключа в замке зажигания автомобиля производится запуск ДВС 2. При этом на шинах 5, 6 напряжение номинальное, сигнал на выходе порогового элемента 10 отсутствует, и управляемый ключ 9 замкнут. Блок автоматического управления 11 производит регулируемый частотный запуск асинхронной машины 1 от ИКЭ 7. Частота импульсов на выходе 12 увеличивается по мере возрастания частоты вращения ДВС 2 (например, как в /2/). Т.о., управляемый ключ 9 при запуске замкнут, и вентильный преобразователь 8 не работает. После разгона двигателя внутреннего сгорания 2 он вступает в работу и начинает вращать вал асинхронной машины 1 с частотой вращения больше синхронной, задаваемой ВП1. Установка переходит в генераторный режим работы. При этом на низких частотах вращения ДВС 2 блок 11 стабилизирует напряжение на шинах 5, 6. После разгона двигателя внутреннего сгорания 2 до частот вращения значительно выше номинальной блок 11 производит регулирование основной частоты на выходе 12 так, чтобы при увеличении частоты вращения вала машины 1 амплитуда напряжения на статоре этой машины увеличивалась (например, как в /1/). При этом увеличивается напряжение на выводах 5, 6, срабатывает пороговый элемент 10 (он может быть выполнен в виде катушки реле, а 9 в виде нормально замкнутого контакта этого реле), и управляемый ключ 9 размыкается. Начинает работать преобразователь постоянного напряжения ВП2 8.

Работает преобразователь 8 следующим образом.

При увеличении напряжения на выводах 5 и 6 увеличивается ток заряда ИКЭ 7, увеличивается сигнал с датчика тока 14, который уменьшает сигнал на выходе элемента сравнения 15 и система управления СУ1 17 уменьшает зарядный ток ИКЭ 7, как в /3/. Таким образом ограничивается зарядный ток ИКЭ. Конденсатор С_ф1 4 необходим для замыкания реактивных токов через мостовую схему первого вентильного преобразователя ВП1 3 при работе преобразователя постоянного напряжения ВП2 8.

Аналогично происходит регулирование тока заряда аккумуляторной батареи G 29 с помощью понижающего преобразователя постоянного напряжения с транзистором VT1 21 и диодом VD1 22 третьего вентильного преобразователя ВП3 и системы регулирования с датчиком тока 30, задатчиком тока 33 и системы управления СУ3 34. Такое регулирование происходит и при номинальном напряжении на шинах 5, 6.

При повышенных напряжениях на шинах 5, 6 стабилизатор СТ 38 поддерживает требуемый уровень напряжения на нагрузках H1 19.

Если степень заряженности ИКЭ 7 недостаточна для осуществления запуска ДВС 2, перед началом запуска его подзаряжают от аккумуляторной батареи 29 через повышающий преобразователь постоянного напряжения с транзистором VT2 23 и диодом VD2 24 третьего вентильного преобразователя ВПЗ. Ток заряда ИКЭ 7 изменяют с помощью системы регулирования с датчиком тока 14, задатчиком тока ЗТ2 36 и системы управления СУ 2 37. Регулирование производится изменением длительности проводящего состояния VT2 с помощью СУ2 аналогично /4/. При этом индуктивный элемент 25 запасает электрическую энергию для передачи ее на шины 5, 6 повышенного напряжения. Емкостной фильтр С_ф2 служит для уменьшения пульсаций на шинах потребителей постоянного тока П2 31.

Таким образом, предложенная энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором позволяет производить эффективный регулируемый частотный пуск асинхронной машины при запуске ДВС от ИКЭ, а также обеспечивает регулируемый заряд накопителей электрической энергии и электроснабжение потребителей постоянного тока двух уровней напряжения в генераторном режиме в широком диапазоне изменения частот вращения ДВС.

Использованные источники

1. А.с. №1669075 (СССР), Н 02 Р 9/4.

2. Патент США №4883973, кл. 290/31; 290/22.

3. Патент РФ №2173020, кл. Н 02 Р 9/44.

4. А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника. М., 2003, - с.272.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автономных объектах, в частности в автомобилях для генерирования электрической энергии и запуска приводного двигателя. Техническим результатом является обеспечение возможности получения двух уровней напряжения для потребителей постоянного тока и повышение кпд в генераторном режиме. Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором содержит асинхронную машину, первичный двигатель, основной и дополнительный накопители электрической энергии, датчик тока основного накопителя электрической энергии, вентильные преобразователи. Выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя непосредственно соединены с потребителями постоянного тока первого уровня напряжения. Дополнительный накопитель электрической энергии соединен с потребителями постоянного тока второго уровня напряжения и через третий вентильный преобразователь постоянного тока в постоянный с однополярными выводами первого вентильного преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором, по крайней мере одним накопителем электрической энергии и потребителями постоянного тока по крайней мере одного уровня напряжения, включающая асинхронную машину, вал которой соединен с валом первичного двигателя, а выводы обмотки статора соединены с выводами переменного тока первого вентильного преобразователя типа «автономный инвертор напряжения», имеющего управляющий вход, связанный с датчиком напряжения статора асинхронной машины, причем выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя соединены с выводами основного накопителя электрической энергии через второй вентильный преобразователь с шунтирующим управляемым ключом, выполненный по схеме преобразователя постоянного напряжения с управляющим входом, связанным с датчиком тока основного накопителя электрической энергии, отличающаяся тем, что выводы постоянного тока первого вентильного преобразователя непосредственно соединены с потребителями постоянного тока первого уровня напряжения и установка снабжена третьим вентильным преобразователем с двумя управляющими входами и дополнительным накопителем электрической энергии, соединенным с потребителями постоянного тока второго уровня напряжения, выводы которого через третий вентильный преобразователь постоянного тока в постоянный, имеющий возможность передачи электрической энергии в двух направлениях, соединены с однополярными выводами первого вентильного преобразователя.2. Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором по п.1, отличающаяся тем, что третий вентильный преобразователь состоит из повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения и понижающего импульсного преобразователя с общим индуктивным элементом, причем управляющий вход повышающего преобразователя подключен к датчику тока дополнительного накопителя электрической энергии, а управляющий вход понижающего преобразователя подключен к датчику тока основного накопителя электрической энергии.