АВТОНОМНАЯ ДВУХАГРЕГАТНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/34 

Изобретение относится к устройствам для передачи электроэнергии между сетями, с частотами, отличающимися одна от другой, и может быть использована в автономных источниках электрической энергии.

Известны автономные одноагрегатные источники электрической энергии типа АД и АБ, содержащие синхронный генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания с регулятором частоты вращения, обеспечивающим синхронную частоту [1].

Их недостатком является низкая энергоэффективность поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной нагрузке и небольшой диапазон мощностей нагрузок.

Известны автономные двухагрегатные электростанции типа ЭСД2×… и ЭСБ2×…, содержащие по два электроагрегата (ЭА) с синхронными генераторами и двигателями внутреннего сгорания, работающими с постоянной частотой вращения [2].

Двухагрегатные электростанции позволяют расширить диапазон нагрузок. Однако их энергоэффективность остается невысокой поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной мощности одного ЭА и номинальной мощности электростанции при работе двух ЭА.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автономная электростанция, содержащая последовательно соединенные ДВС с переменной частотой вращения, синхронный генератор и трансформатор, датчик частоты вращения вала ДВС, причем преобразователь частоты выполнен в виде блоков: управляемого выпрямителя с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, сумматора сигналов и регулятора напряжения, конденсаторной батареи, датчика тока и инвертора напряжения, а к блоку возбуждения синхронного генератора подключен выход блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС [3].

Электростанция имеет минимальный удельный расход топлива при любой нагрузке. Однако диапазон изменения мощности нагрузки ограничен мощностью единственного ЭА.

Цель изобретения - повышение энергоэффективности в более широком диапазоне мощностей нагрузки.

Цель изобретения достигается тем, что автономная двухагрегатная электростанция, содержащая первый ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, который соединен с регулятором частоты и валом синхронного генератора, связанного индуктором с блоком возбуждения, а якорем с входом управляемого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр-накопитель связан с входами блока возбуждения, блока стабилизации напряжения и датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, подключенного выходом к нагрузке, кроме того выход датчика мощности соединен с информационным входом блока формирования экономической частоты, первый выход которого связан со вторым входом блока возбуждения, а второй - с входом уставки регулятора частоты вращения, связанного с топливной системой ДВС, причем выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, снабжена датчиком активной мощности, выключателем, синхронизатором, задающим регистром, первым, вторым и третьим числовыми компараторами, сумматором, первым и вторым логическими элементами И, вторым ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, который соединен с валом второго синхронного генератора, индуктор которого подключен к выходу второго блока возбуждения, а якорь - к второму входу синхронизатора, входу второго блока возбуждения и через датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного выходными зажимами с нагрузкой, входом управления включением - с выходом синхронизатора, а входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления второго ЭА и выходом БОЛЬШЕ третьего числового компаратора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода сумматора, разряды первого входа - с соответствующими разрядами первого входа первого числового компаратора, выхода задающего регистра и второго входа второго числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода датчика активной мощности и первого входа сумматора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода датчика мощности первого ЭА и разрядами второго входа первого числового компаратора, выходы МЕНЬШЕ и РАВНО которого подключены к второму входу первого логического элемента И и первому входу блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, а вторым выходом - с первым входом первого логического элемента И, выход которого соединен с третьим входом синхронизатора, первый вход которого связан с выходом трансформатора, кроме того выход МЕНЬШЕ третьего числового компаратора подключен к первому входу второго логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, а выход - к входу увеличения уставки регулятора частоты вращения вала ДВС второго ЭА, вход уменьшения уставки которого связан с выходом БОЛЬШЕ второго числового компаратора, информационный вход - с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС второго ЭА.

Синхронизатор и выключатель обеспечивают включение ЭА станции на параллельную работу. Датчик активной мощности и сумматор формируют код величины суммарной нагрузки станции. Задающий регистр, первый числовой компаратор и их связи определяют момент ввода в работу второго ЭА. Второй числовой компаратор, второй логический элемент И и их связи обеспечивают прием номинальной нагрузки вторым ЭА. Третий числовой компаратор и его связи служат для вывода из работы второго ЭА после снижения нагрузки.

На фиг. 1 представлена схема автономной двухагрегатной электростанции, на фиг. 2 - диаграммы нагрузки и эпюры сигналов на основных элементах схемы.

Электростанция (фиг. 1) содержит первый ЭА 1 с переменной частотой, который имеет: ДВС 2, синхронный генератор 3, регулятор частоты вращения (РЧВ) 4 вала ДВС, блок 5 формирования экономичной частоты вращения, блок 6 возбуждения генератора, управляемый выпрямитель 7, блок 8 стабилизации напряжения, сглаживающий фильтр-накопитель 9, датчик мощности 10, автономный инвертор напряжения 11, задатчик 12 частоты, трансформатор 13. Второй ЭА 14 имеет ДВС 15 с постоянной частотой вращения вала, РЧВ 16, синхронный генератор 17 с блоком 18 возбуждения, датчик 19 активной мощности и выключатель 20. Датчик мощности 10 и датчик активной мощности 19 имеют цифровые выходы. Кроме того схема содержит синхронизатор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 числовые компараторы, задающий регистр 25, сумматор 26, нагрузку 27, блок 28 автоматического управления вторым ЭА, первый 29 и второй 30 логические элементы И. ЭА 1 и 14 имеют одинаковые номинальные мощности Р_ном1=Р_ном2=Р_н. В программу работы блока 5 заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 2 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному удельному расходу топлива.

Электростанция работает следующим образом. В регистре 25 (фиг. 1) устанавливают код Х25 соответствующий номинальной мощности ЭА Р_н. _.Для ЭА 1 номинальная частота устанавливается задатчиком 12, а для ЭА 14 РЧВ 16. Номинальные напряжения ЭА 1 и 14 задаются блоками возбуждения 6 и 18. Первым вводится в работу ЭА 1. При этом в зависимости от значения мощности нагрузки блок 5 выдает РЧВ 4 уставку оптимальной частоты с точки зрения минимального потребления топлива. При каждом изменении мощности уставка корректируется. В результате с изменением мощности нагрузки меняется частота вращения вала ДВС и он постоянно находится в наиболее экономичном режиме работы.

В виду того, что частота вращения вала ДВС 2 (фиг. 1) меняется в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения генератора 3 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.

Стабилизация амплитуды переменного напряжения на уровне номинального значения для генератора 3 осуществляется следующим образом.

Выпрямитель 7 (фиг. 1) преобразует выходное переменное напряжение генератора 3 в постоянное напряжение заданной величины, которое стабилизируется блоком 8 стабилизации напряжения. Выходное напряжение выпрямителя 7 сглаживается фильтром-накопителем 9, который кроме того компенсирует пики и провалы напряжения в динамических режимах. Сглаженное напряжение преобразуется инвертором 11 в переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой равной постоянному напряжению выпрямителя 7, которое поддерживается на одном уровне благодаря блоку 8 стабилизации напряжения. Трансформатор 13 увеличивает это напряжение до номинального значения.

В результате на выходе ЭА 1 напряжение и частота соответствует номинальным значениям, а ДВС 2 работает в режиме минимального расхода топлива в диапазоне нагрузок от нуля до номинальной мощности (фиг. 2 интервал времени t₀-t₁).

Когда мощность нагрузки превышает номинальную мощность ЭА 1 (фиг. 2 момент времени t₁) код X10 на выходе датчика мощности 10, поступающий на второй вход компаратора 22, оказывается меньше кода Х25, поступающего с выхода задатчика 25 на первый вход компаратора 22. При этом появляется сигнал Х22 (фиг. 2) на выходе компаратора 22, который подготавливает логический элемент И 29 по второму входу и поступая на вход блока 28 автоматического управления ЭА 14 производит его пуск. Сигнал о готовности приема нагрузки с блока 28 автоматического управления поступает на первый вход логического элемента И 29 и сигналом с его выхода включается синхронизатор 21. В момент выполнения условий синхронизма сигнал с выхода синхронизатора 21 включает выключатель 20, который подключает ЭА 14 к нагрузке 27. При этом ЭА 14 принимает некоторую мощность нагрузки, и с выхода датчика 19 код X19 (фиг. 2) активной мощности поступает на первый вход компаратора 23, на втором входе которого присутствует код Х25 номинальной мощности ЭА Р_н. Поскольку в начальный момент времени (фиг. 2 момент времени t₁) нагрузка ЭА 14 меньше номинальной, то появляется сигнал Х23⁽²⁾ на втором выходе компаратора 23, который подготавливает логический элемент И 30 по второму входу. Сумматор 26 складывает коды мощностей электроагрегата 1 X10 и электроагрегата 14 X19, вычисляя код Х26 мощности Р нагрузки 27, поступающий на второй вход компаратора 24. Так как мощность нагрузки превышает номинальную мощность ЭА появляется сигнал Х24⁽²⁾ на втором выходе компаратора 24, который через логический элемент И30 поступает на вход увеличения уставки РЧВ 16. На ЭА 14 увеличивается подача топлива и активная мощность Р₂. Увеличение мощности Р₂ происходит до момента t₂ (фиг. 2), когда устанавливается номинальная мощность Р₂=Р_н и ЭА 14 переходит в экономичный режим работы. При этом сигнал Х23⁽²⁾ на втором выходе компаратора 23 исчезает. Логический элемент И 30 закрывается по второму входу, снимая сигнал с входа увеличения уставки РЧВ 16, предотвращая дальнейший прием нагрузки. Если мощность ЭА 14 по какой-либо причине превысила номинальное значение, появляется сигнал на первом выходе компаратора 23, который поступает на вход уменьшения уставки РЧВ 14, и мощность снижается до номинальной величины. Таким образом, при работе ЭА 14 имеет номинальную нагрузку и минимальный удельный расход топлива.

Когда нагрузка станции снижается и становится меньше номинальной мощности ЭА Р_н, (фиг. 2, момент времени t₃) появляется сигнал Х24(1) на выходе компаратор 24, который, поступая на выключатель 20, отключает его. Одновременно сигнал Х24⁽¹⁾ с выхода компаратора 24 поступает на второй вход блока 28 управления ДВС 15, который останавливается. После чего вся нагрузка переходит на ЭА 1, который при любой нагрузке работает в режиме экономии топлива.

Таким образом, станция во всем диапазоне нагрузок от нуля до номинальной мощности (Р_ном=2Р_н) работает в режиме минимального удельного расхода топлива.

Источники информации

1. Алексеев А.П., Кудряшев Г.Ф., Чекменев Е.Е. Дизельные и карбюраторные электроагрегаты и станции: Справочник. - М.: Машиностроение, 1973. - 544 с.

2. Емельянов И.А., Овчинников И.П. Многоагрегатные передвижные электростанции: Справочник. - М.: Воениздат, 1987, - 104 с.

3. Патент на изобретение RU 2412513, МКП H02J 3/34, 2011.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для передачи электроэнергии между сетями с частотами, отличающимися одна от другой, и может быть использовано в автономных источниках электрической энергии. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности в более широком диапазоне мощностей нагрузки. Электростанция содержит первый ЭА 1 с переменной частотой, который имеет ДВС 2, синхронный генератор 3, регулятор частоты вращения (РЧВ) 4 вала ДВС, блок 5 формирования экономичной частоты вращения, блок 6 возбуждения генератора, управляемый выпрямитель 7, блок 8 стабилизации напряжения, сглаживающий фильтр-накопитель 9, датчик мощности 10, автономный инвертор напряжения 11, задатчик 12 частоты, трансформатор 13. Второй ЭА 14 имеет ДВС 15 с постоянной частотой вращения вала, РЧВ 16, синхронный генератор 17 с блоком 18 возбуждения, датчик 19 активной мощности и выключатель 20. Датчик мощности 10 и датчик активной мощности 19 имеют цифровые выходы. Кроме того, схема содержит синхронизатор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 числовые компараторы, задающий регистр 25, сумматор 26, нагрузку 27, блок 28 автоматического управления вторым ЭА, первый 29 и второй 30 логические элементы И. ЭА 1 и 4 имеют одинаковые номинальные мощности Р_ном1=Р_ном2-Р_н. 2 ил.

Автономная двухагрегатная электростанция, содержащая первый ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, который соединен с регулятором частоты и валом синхронного генератора, связанного индуктором с блоком возбуждения, а якорем с входом управляемого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр-накопитель связан с входами блока возбуждения, блока стабилизации напряжения и датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, подключенного выходом к нагрузке, кроме того, выход датчика мощности соединен с информационным входом блока формирования экономической частоты, первый выход которого связан со вторым входом блока возбуждения, а второй - с входом уставки регулятора частоты вращения, связанного с топливной системой ДВС, причем выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, отличающаяся тем, что с целью повышения энергоэффективности в более широком диапазоне мощностей нагрузки снабжена датчиком активной мощности, выключателем, синхронизатором, задающим регистром, первым, вторым и третьим числовыми компараторами, сумматором, первым и вторым логическими элементами И, вторым ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, который соединен с валом второго синхронного генератора, индуктор которого подключен к выходу второго блока возбуждения, а якорь - ко второму входу синхронизатора, входу второго блока возбуждения и через датчик активной мощности к входным зажимам выключателя, связанного выходными зажимами с нагрузкой, входом управления включением с выходом синхронизатора, а входом управления отключением со вторым входом блока автоматического управления второго ЭА и выходом БОЛЬШЕ третьего числового компаратора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода сумматора, разряды первого входа - с соответствующими разрядами первого входа первого числового компаратора, выхода задающего регистра и второго входа второго числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода датчика активной мощности и первого входа сумматора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода датчика мощности первого ЭА и разрядами второго входа первого числового компаратора, выходы МЕНЬШЕ и РАВНО которого подключены ко второму входу первого логического элемента И и первому входу блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом с исполнительными элементами системы управления ДВС, а вторым выходом с первым входом первого логического элемента И, выход которого соединен с третьим входом синхронизатора, первый вход которого связан с выходом трансформатора, кроме того, выход МЕНЬШЕ третьего числового компаратора подключен к первому входу второго логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, а выход - к входу увеличения уставки регулятора частоты вращения вала ДВС второго ЭА, вход уменьшения уставки которого связан с выходом БОЛЬШЕ второго числового компаратора, информационный вход с валом ДВС, а выход с топливной системой ДВС второго ЭА.