АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H02J9/08 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве автономного источника постоянного тока в системах электроснабжения подвижных объектов связи и управления.

Известны автономные источники электроэнергии постоянного тока, в состав которых входят приводной двигатель, генератор постоянного тока, угольный регулятор напряжения и буферная аккумуляторная батарея [1].

Недостатком этого устройства является то, что при питании от такого источника стартерных двигателей для обеспечения их запуска необходимо наличие аккумуляторной батареи, так как примененный угольный регулятор не может обеспечить формирование требуемой для запуска характеристики генератора с участком максимального постоянного тока.

Известен также автономный источник питания постоянного тока, содержащий приводной двигатель, на валу которого установлен генератор постоянного тока, якорные обмотки которого через измерительный шунт связаны с плюсовым и минусовым выводами источника питания, обмотка возбуждения включена через угольный столб комбинированного регулятора, на управляющем электромагните которого расположены рабочая обмотка и обмотка для параллельной работы, связанные с тремя резисторами и диодом, а также вспомогательный источник переменного тока, выход которого подключен к выпрямительному мосту [2].

Недостатком такого известного устройства является сложность и пониженная надежность вследствие применения в схеме вспомогательного генератора-усилителя, приводимого двигателем внутреннего сгорания, и дополнительных термостабильных шунтов или использования специального усилителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является автономный источник питания постоянного тока, содержащий генератор постоянного тока, приводимый двигателем внутреннего сгорания, комбинированный угольный регулятор напряжения, мощности и тока с электромагнитным приводом, полупроводниковый диод, три резистора, выпрямительный мост, подключенный к источнику переменного тока, обмотку для параллельной работы, рабочую обмотку и обмотку возбуждения [3].

Основным недостатком известного автономного источника постоянного тока является то, что вал генератора приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания с постоянной частотой вращения независимо от тока нагрузки потребителей электроэнергии. При этом как при малой нагрузке и соответственно малой потребляемой мощности, так и при максимальной нагрузке топливо расходуется одинаково, что является неэффективным и приводит к резкому сокращению технического ресурса двигателя. Кроме того, схема запуска двигателя в известном источнике получается сложной.

Целью изобретения является повышение стабильности выходного напряжения генератора при резких изменениях тока нагрузки, увеличение технического ресурса двигателя за счет снижения числа оборотов вала двигателя и сокращения часового расхода топлива.

Поставленная цель достигается тем, что в автономный источник электроэнергии постоянного тока, содержащий двигатель внутреннего сгорания, на валу которого установлен генератор постоянного тока, буферную аккумуляторную батарею и блок подключения потребителей электроэнергии, введены датчик тока нагрузки, датчик тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блок регулирования подачи топлива, блок регулирования напряжения, блок контроля текущей частоты вращения вала двигателя, блок изменения напряжения генератора на холостом ходу, блок коррекции частоты вращения вала двигателя, блок управления режимами работы и блок запуска двигателя, при этом выход генератора постоянного тока через датчик тока нагрузки соединен со входом блока подключения потребителей электроэнергии, вход-выход буферной аккумуляторной батареи соединен с входом-выходом датчика тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, вход и выход которого подключен к выходу датчика тока нагрузки, вход-выход блока регулирования напряжения соединен со входом-выходом генератора постоянного тока, выход которого соединен со входом блока изменения напряжения генератора на холостом ходу, информационные выходы датчика тока нагрузки, датчика тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блока регулирования напряжения, блока контроля текущей частоты вращения вала двигателя и блока изменения напряжения генератора на холостом ходу подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока управления режимами работы, шестой информационный вход которого соединен с выходом блока запуска двигателя, управляющий выход которого соединен с управляющим входом двигателя внутреннего сгорания, информационный выход которого через блок контроля текущей частоты вращения вала двигателя соединен со входом блока коррекции частоты вращения вала двигателя, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления режимами работы, а управляющий выход блока коррекции частоты вращения вала двигателя через блок регулирования подачи топлива соединен со входом двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная цель достигается также тем, что блок управления режимами работы содержит системный блок, состоящий из микропроцессора, соединенного с синхронизатором, системной шины, программного устройства, оперативного запоминающего устройства и устройства идентификации, а также содержит блок приема данных и блок формирования команд управления, причем к первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входам-выходам системной шиной подключены соответственно второй вход-выход микропроцессора, входы-выходы программного устройства, оперативного запоминающего устройства, устройства идентификации, блока приема данных и блока формирования команд управления, при этом первые, вторые, третьи, четвертые, пятые и шестые входы блока приема данных являются соответственно первыми, вторыми, третьими, четвертыми, пятыми и шестыми входами блока управления режимами работы, а выход блока формирования команд управления является управляющим выходом блока управления режимами работы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый автономный источник электроэнергии постоянного тока отличается наличием новых блоков: датчика тока нагрузки, датчика тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блока регулирования подачи топлива, блока регулирования напряжения, блока контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, блока изменения напряжения генератора на холостом ходу, блока коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя, блока управления режимами работы и блока запуска двигателя, а также изменением связей между известными остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемый автономный источник электроэнергии постоянного тока соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки широко известны [4, 5].

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый автономный источник электроэнергии постоянного тока вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению стабильности выходного напряжения генератора при резких изменениях тока нагрузки, увеличению технического ресурса двигателя за счет снижения числа оборотов вала двигателя и сокращению в соответствии с этим часового расхода топлива. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена структурная схема автономного источника электроэнергии постоянного тока, на фиг.2 показана структурная схема блока управления режимами работы, а на фиг.3 и 4 приведены соответственно графическая зависимость токоскоростной характеристики генератора постоянного тока и графическая зависимость выходного напряжения холостого хода от частоты вращения генератора.

Предлагаемый автономный источник электроэнергии постоянного тока содержит (см. фиг.1) двигатель 1 внутреннего сгорания, генератор 2 постоянного тока, датчик 3 тока нагрузки, блок подключения 4 потребителей электроэнергии, буферную аккумуляторную батарею 5, датчик тока разряда и заряда 6 аккумуляторной батареи, блок регулирования 7 подачи топлива, блок регулирования напряжения 8, блок контроля 9 текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, блок 10 изменения напряжения генератора на холостом ходу, блок коррекции 11 частоты вращения коленчатого вала двигателя, блок управления 12 режимами работы и блок запуска 13 двигателя.

Блок управления 12 режимами работы (фиг.2) содержит системный блок 14, состоящий из микропроцессора 15, синхронизатора 16, системной шины 17, программного устройства 18, оперативного запоминающего устройства 19 и устройства идентификации 20, а также содержит блок приема данных 21 и блок формирования 22 команд управления.

Коленчатый вал двигателя 1 посредством муфты механически соединен с генератором 2 постоянного тока, выход которого через датчик 3 тока нагрузки соединен со входом блока подключения 4 потребителей электроэнергии, ко входу которого подключены также выход и вход датчика тока 6 разряда и заряда аккумуляторной батареи, вход-выход которого соединен с входом-выходом аккумуляторной батареи 5.

Информационные выходы генератора 2 постоянного тока, датчика 3 тока нагрузки, датчика тока 6 разряда аккумуляторной батареи, блока регулирования 8 напряжения, блока 9 контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока 10 изменения напряжения генератора на холостом ходу подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока управления 12 режимами работы, шестой вход которого соединен с выходом блока 13 запуска двигателя.

Управляющий вход двигателя 1 соединен с управляющим выходом блока 7 регулирования подачи топлива, вход которого соединен с выходом блока коррекции 11 частоты вращения коленчатого вала двигателя, к первому входу которого подключен выход блока контроля 9 текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, вход которого соединен с информационным выходом двигателя 1, а управляющий выход блока управления 12 режимами работы соединен со вторым входом блока коррекции 11 частоты вращения коленчатого вала двигателя. Входы-выходы блока регулирования 8 напряжения нагрузки потребителей соединены с входами-выходами генератора 2 постоянного тока, информационный выход которого соединен со входом блока изменения 10 напряжения генератора на холостом ходу, а управляющий выход блока 13 запуска двигателя соединен с управляющим входом двигателя 1.

Первый и второй входы-выходы микропроцессора 15 системного блока 14 блока управления 12 режимами работы подключены к входам-выходам соответственно синхронизатора 16 и системной шины 17, ко второму, третьему и четвертому входам-выходам которой подключены входы-выходы соответственно программного устройства 18, оперативного запоминающего устройства 19 и устройства идентификации 20, а к пятому и шестому входам-выходам системной шины подключены соответственно входы-выходы блока приема данных 21 и блока формирования 22 команд управления, при этом к первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входам блока приема данных 21 подключены выходы соответственно датчика тока 3 нагрузки, датчика тока 6 разряда и заряда аккумуляторной батареи 5, блока регулирования 8 напряжения, блока контроля 9 текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, блока изменения 10 напряжения генератора на холостом ходу и блока запуска 13 двигателя, а выход блока формирования 22 команд управления соединен с управляющим входом блока коррекции 11 частоты вращения вала двигателя 1.

Двигатель 1 и генератор 2 постоянного тока соединены между собой в единый блок (двигатель-генератор) через соединительную муфту.

Генератор 2 постоянного тока осуществляет преобразование механической энергии вращения коленчатого вала двигателя 1 в электрическую энергию, при этом напряжение с входа-выхода генератора 2 поступает на вход-выход блока регулирования напряжения 8, а с выхода генератора 2 передается на вход датчика тока 3 нагрузки. Регулирование напряжения генератора 2 постоянного тока под нагрузкой производится блоком 8 автоматически в заданных пределах.

Блок 7 предназначен для регулирования оборотов двигателя 1 внутреннего сгорания. Воздействуя на органы подачи топлива, блок 7 поддерживает при различных нагрузках заданный скоростной режим в определенных пределах. В составе блока 7 имеется устройство, обеспечивающее изменение настройки регулятора в заданных пределах.

В качестве блока управления 12 режимами работы может быть использован однокристальный 8-разрядный микроконтроллер КМ1816 ВЕ48, называемый для краткости МК 1816. Микроконтроллер МК 1816 представляет собой большую интегральную схему (БИС), имеющую в своем составе все атрибуты небольшой микроЭВМ: арифметико-логическое устройство, устройство управления, постоянное ЗУ программ, ОЗУ данных и интерфейсные схемы [4].

Устройство работает следующим образом.

С помощью блока 13 происходит запуск двигателя 1, который прогревается до рабочей температуры. После прогрева двигателя 1 включается цепь возбуждения генератора постоянного тока 2 и он начинает генерировать определенное напряжение, увеличивающееся до номинального значения. Напряжение номинального значения с выхода генератора постоянного тока 2 подается через блок 10 на вход блока управления 12 режимами работы. Одновременно с этим отключается блок запуска 13 двигателя и управление двигателем 1 производится блоком управления 12 режимами работы.

Блок управления 12 представляет собой контроллер, в память которого внесена токоскоростная характеристика. На фиг.2 приведена ее графическая зависимость вида

I_г=К₁·n_г,

где I_г - ток генератора постоянного тока;

n_г - количество оборотов вала в минуту;

К₁ - коэффициент пропорциональности.

Кроме того, в память контроллера внесена также зависимость напряжения холостого хода от частоты вращения генератора в процессе его возбуждения

U_гxx=К₂·n_гmin,

где U_гxx - напряжение на выходе генератора при работе на холостом ходу;

n_гmin - минимально допустимые обороты генератора постоянного тока;

К₂ - коэффициент пропорциональности.

На фиг.3 представлена графическая зависимость частоты вращения для возбуждения генератора. Она позволяет согласовать минимальную частоту вращения генератора с процессом полного возбуждения, так как генераторы разных типов имеют различную минимальную частоту вращения для возбуждения.

Рассмотрим процессы управления двигателем 1 на холостом ходу.

При токе, равном нулю, в соответствии с токоскоростной характеристикой (см. фиг.2) в блоке управления 12 режимами работы вырабатывается команда по установлению в блоке коррекции 11 минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя 1. Если текущая (рабочая) частота вращения вала двигателя 1 больше минимально допустимой, информация о которой поступает из блока 9, то в блоке коррекции 11 частоты вырабатывается команда по снижению рабочей частоты, которая передается в блок регулирования 7. Блок регулирования 7 в соответствии с этим уменьшает подачу топлива в цилиндры двигателя 1 и частота вращения коленчатого вала начинает снижаться до тех пор, пока ее значение не сравняется со значением в токоскоростной характеристике блока управления 12. После этого команда по снижению частоты вращения коленчатого вала двигателя 1 прекращается и частота вращения вала стабилизируется на уровне токоскоростной характеристики. Далее управление скоростным режимом двигателя 1 передается блоку контроля изменения напряжения 10 при возбуждении генератора на холостом ходу.

Если напряжение на выходе генератора 2 меньше номинального значения при несовпадении частоты вращения, то информация об отклонении напряжения с выхода блока 10 передается в блок управления 12 режимами работы. В блоке управления 12 режимами работы в соответствии с характеристикой U_гxx=К₂·n_гmin вырабатывается команда на увеличение частоты вращения коленчатого вала, которая передается в блок коррекции частоты 11. В блоке коррекции частоты 11 на основании сравнения текущей частоты с рабочей вырабатывается команда на увеличение подачи топлива в двигатель 1. При этом частота вращения коленчатого вала будет увеличиваться до тех пор, пока напряжение не достигнет номинального значения. В момент достижения номинального значения напряжения передача команды на увеличение частоты вращения из блока 12 прекращается и частота вращения стабилизируется. На этом цикл изменения частоты вращения вала двигателя 1 на холостом ходу заканчивается. При этом значение числа оборотов вала двигателя 1 соответствует минимуму, определяемому токоскоростной характеристикой в блоке 12 управления (см. фиг.3).

Рассмотрим процессы управления скоростным режимом работы двигателя 1 под нагрузкой.

При включении частичной (или полной) нагрузки при частоте вращения вала двигателя 1 ниже синхронной частоты вращения генератора в последнем случае резко снижается напряжение за счет развозбуждения генератора 2, поскольку из-за инерционности системы управления двигателем 1 частота вращения вала также резко снижается. При этом потребители постоянного тока, подключенные к блоку 4, переключаются на питание от аккумуляторной батареи 5 через датчик тока 6 разряда и заряда аккумуляторной батареи. Информация об этом с выхода датчика 6 передается в блок управления 12 режимами работы.

С выхода датчика тока 6 разряда и заряда аккумуляторной батареи 5 информация о значении тока нагрузки поступает в блок управления 12. В блоке 12 происходит сравнение поступающей с выхода блока 9 информации о значении частоты вращения вала двигателя и данных токоскоростной характеристики генератора 2, на основании которых в блоке 12 вырабатывается команда на увеличение частоты вращения вала двигателя 1 до определенного значения. Информация о новой частоте вращения коленчатого вала двигателя передается в блок коррекции частоты 11, где она сравнивается также с рабочей частотой. На основании разности значений этих частот вырабатывается команда на увеличение подачи топлива в цилиндры двигателя 1. Информация о необходимости увеличения подачи топлива с выхода блока коррекции частоты 11 передается в блок регулирования 7 подачи топлива. В результате этого процесса частота вращения вала двигателя 1 увеличивается до требуемого значения и при ее достижении передача команды об увеличении подачи топлива прекращается, а скорость устанавливается в соответствии с токоскоростной характеристикой. В этом случае напряжение становится равным номинальному значению и ток нагрузки от генератора постоянного тока 2 к блоку подключения 4 потребителей начинает поступать через датчик тока 3 нагрузки. Информация о значении тока нагрузки с выхода датчика 3 поступает на вход блока управления 12. Аккумуляторная батарея 5 переходит в режим заряда и через датчик тока 3 протекает суммарный ток нагрузки и заряда аккумуляторной батареи 5. Так как величина этого тока больше тока разряда аккумуляторной батареи 5, происходит корректировка частоты вращения вала двигателя 1, значение которой должно быть увеличено.

Процесс увеличения подачи топлива в двигателе 1 внутреннего сгорания происходит по описанному выше алгоритму.

После заряда аккумуляторной батареи 5 устанавливается окончательно частота вращения коленчатого вала двигателя 1 в соответствии с величиной тока нагрузки, а аккумуляторная батарея 5 переходит в режим буферного содержания с незначительным током потребления.

Аналогичные процессы регулирования скоростного режима двигателя производятся в случае увеличения нагрузки до номинального значения.

Техническая эффективность предлагаемого автономного источника электроэнергии постоянного тока заключается в повышении стабильности выходного напряжения генератора при резких изменениях тока нагрузки, увеличении технического ресурса двигателя, приводящего во вращение генератор, и сокращении часового расхода топлива. Это достигается за счет введения блока управления 12 режимами работы со встроенной программой оптимизации частоты вращения вала двигателя при работе его на частичной нагрузке и на холостом ходу.

Достоинством предлагаемого изобретения является то, что в автономном источнике электроэнергии постоянного тока частота вращения двигателя изменяется пропорционально изменению тока нагрузки на генераторе, при этом снижение частоты вращения вала двигателя способствует уменьшению часового расхода топлива, что является экономически выгодным фактом, поскольку работа двигателя в облегченном режиме увеличивает его технический ресурс.

Расчеты, проведенные в соответствии с известной методикой [5], показали следующее.

При числе оборотов вала двигателя n=1500 об/мин расход топлива составляет 26 кг/ч, а при уменьшении числа оборотов до n=1300 об/мин расход топлива составляет 20 кг/ч, то есть получаем выигрыш в 1,3 раза.

Для холостого хода двигателя получены еще более значительные результаты. Так для числа оборотов n_хх=900 об/мин расход топлива составляет всего 8 кг/ч и по сравнению с числом оборотов n=1500 об/мин расход уменьшается в 3,25 раза.

Достоинством предлагаемого автономного источника является также и то, что за счет введения блока изменения напряжения на холостом ходу достигнута одинаковая стабильность выходного напряжения генератора на холостом ходу и при нагрузках. При отсутствии такого блока нестабильность может составлять 30% и более.

Источники информации

1. Перегудов В.А. и др. Наземные авиационные источники электроэнергии. - М.: Транспорт, 1980.

2. SU, авторское свидетельство №320005, кл. Н02Р 9/04, 1971.

3. SU, авторское свидетельство №905974, кл. Н02Р 9/04, 1982 (прототип).

4. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

5. Бензоэлектрические и дизель-электрические агрегаты мощностью от 0,5 до 400 кВт. Справочник. Под ред. В.П.Лебедева. Гос. научно-технич. изд-во машиностроительной литературы. - М., 1960.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве автономного источника постоянного тока в системах электроснабжения подвижных объектов связи и управления. Техническим результатом является повышение стабильности выходного напряжения генератора при резких изменениях тока нагрузки, увеличение технического ресурса двигателя за счет снижения числа оборотов вала двигателя и сокращения часового расхода топлива. Автономный источник электроэнергии постоянного тока содержит двигатель внутреннего сгорания, генератор постоянного тока, датчик тока нагрузки, блок подключения потребителей электроэнергии, буферную аккумуляторную батарею, датчик тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блок регулирования подачи топлива, блок регулирования напряжения, блок контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, блок изменения напряжения генератора на холостом ходу, блок коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя, блок управления режимами работы и блок запуска двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Автономный источник электроэнергии постоянного тока, содержащий двигатель внутреннего сгорания, на валу которого установлен генератор постоянного тока, буферную аккумуляторную батарею и блок подключения потребителей электроэнергии, отличающийся тем, что в него введены датчик тока нагрузки, датчик тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блок регулирования подачи топлива, блок регулирования напряжения, блок контроля текущей частоты вращения вала двигателя, блок изменения напряжения генератора на холостом ходу, блок коррекции частоты вращения вала двигателя, блок управления режимами работы и блок запуска двигателя, при этом выход генератора постоянного тока через датчик тока нагрузки соединен со входом блока подключения потребителей электроэнергии, вход-выход буферной аккумуляторной батареи соединен с входом-выходом датчика тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, вход и выход которого подключен к выходу датчика тока нагрузки, вход-выход блока регулирования напряжения соединен со входом-выходом генератора постоянного тока, выход которого соединен со входом блока изменения напряжения генератора на холостом ходу, информационные выходы датчика тока нагрузки, датчика тока разряда и заряда аккумуляторной батареи, блока регулирования напряжения, блока контроля текущей частоты вращения вала двигателя и блока изменения напряжения генератора на холостом ходу подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока управления режимами работы, шестой информационный вход которого соединен с выходом блока запуска двигателя, управляющий выход которого соединен с управляющим входом двигателя внутреннего сгорания, информационный выход которого через блок контроля текущей частоты вращения вала двигателя соединен со входом блока коррекции частоты вращения вала двигателя, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления режимами работы, а управляющий выход блока коррекции частоты вращения вала двигателя через блок регулирования подачи топлива соединен со входом двигателя внутреннего сгорания.2. Автономный источник по п.1, отличающийся тем, что блок управления режимами работы содержит системный блок, состоящий из микропроцессора, соединенного с синхронизатором, системной шины, программного устройства, оперативного запоминающего устройства и устройства идентификации, а также содержит блок приема данных и блок формирования команд управления, причем к первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входам-выходам системной шиной подключены соответственно второй вход-выход микропроцессора, входы-выходы программного устройства, оперативного запоминающего устройства, устройства идентификации, блока приема данных и блока формирования команд управления, при этом первые, вторые, третьи, четвертые, пятые и шестые входы блока приема данных являются соответственно первыми, вторыми, третьими, четвертыми, пятыми и шестыми входами блока управления режимами работы, а выход блока формирования команд управления является управляющим выходом блока управления режимами работы.