ДВУХАГРЕГАТНАЯ АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2021 года по МПК H02J3/34 

Изобретение относится к устройствам для передачи электроэнергии между сетями, с частотами, отличающимися одна от другой, и может быть использовано 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 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, и второй 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 первого 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 /3/.

Электростанция имеет минимальный удельный расход топлива при любом режиме нагрузки. Однако она имеет громоздкую схему сопряжения ЭА.

Цель изобретения - повышение надежности за счет упрощения схемы при высокой энергоэффективности.

Цель изобретения достигается тем, что двухагрегатная автономная 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 первого датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, кроме того выход первого 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, а выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, причем второй 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 второй датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного входом управления включением - с выходом синхронизатора, входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления второго ЭА, а входом - с первым входом синхронизатора, третий вход которого подключен к выходу логического элемента И, первый вход которого соединен со вторым выходом блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, кроме того соответствующие разряды второго входа числового компаратора, соединены с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, разряды первого входа - с соответствующими разрядами информационного выхода второго датчика активной мощности, а выход БОЛЬШЕ - с входом уменьшения уставки второго регулятора частоты вращения, информационный вход которого связан с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС второго ЭА снабжена вычитателем и станционным датчиком мощности, вход которого подключен к выходным зажимам трансформатора первого ЭА и выключателя второго ЭА, выход - к зажимам нагрузки, а разряды информационного выхода соединены с соответствующими разрядами входа уменьшаемого вычитателя, разряды входа вычитаемого с -соответствующими разрядами выхода задающего регистра, выход признака отрицательной разности с - входом управления отключением выключателя и вторым входом блока автоматического управления, первый вход которого связан со вторым входом логического элемента И и выходом признака положительной разности вычитателя, кроме того выход МЕНЬШЕ компаратора подключен к входу увеличения уставки второго регулятора частоты вращения.

Станционный датчик мощности, вычитатель и их связи обеспечивают выбор момента для включения и отключения второго ЭА.

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, блок 22 автоматического управления вторым ЭА, числовой компаратор 23, логические элементы И 24, задающий регистр 25, вычитатель 26, нагрузку 27, станционный датчик активной мощности 28. ЭА 1 и 14 имеют одинаковые номинальные мощности Р_ном1=Р_ном2=Р_н, код которой занесен в регистр 25. 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 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 Х28 на выходе датчика мощности 28, поступающий на вход уменьшаемого вычитателя 26 оказывается больше кода Х25, поступающего с выхода задатчика 25 на вход вычитаемого вычитателя 26.

При этом появляется сигнал Х26⁽¹⁾ (фиг. 2) на выходе признака положительной разности вычитателя 26, который подготавливает по второму входу логический элемент И 24 и поступая на первый вход блока 22 автоматического управления ЭА 14 производит его пуск. Сигнал о готовности приема нагрузки с блока 22 автоматического управления поступает на первый вход логического элемента И 24 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 поступает на вход увеличения уставки РЧВ 16. На ЭА 14 увеличивается подача топлива и активная мощность Р₂. Увеличение мощности Р₂ происходит до момента t₁ (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. Если мощность ЭА 14 по какой-либо причине превысила номинальное значение, появляется сигнал Х23⁽¹⁾ на первом выходе компаратора 23, который поступает на вход уменьшения уставки РЧВ 16, и мощность снижается до номинальной величины. Таким образом, при работе ЭА14 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 Х26⁽²⁾ на выходе признака отрицательной разности вычитателя 26, который поступая на выключатель 20, отключает его. Одновременно сигнал Х26⁽²⁾ с выхода вычитателя 26 поступает на второй вход блока 22 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. При этом схема сопряжения ЭА станции имеет меньше блоков (пять) по сравнению с прототипом (семь блоков), что повышает надежность.

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 2724104, МКП H02J 3/34, 2020.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики для передачи электроэнергии между сетями, с частотами, отличающимися одна от другой. Технический результат - повышение надежности и энергоэффективности при упрощении схемы. Электростанция содержит первый электроагрегат (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), блок (22) автоматического управления вторым ЭА, числовой компаратор (23), логический элемент И (24), задающий регистр (25), вычитатель (26), нагрузку (27), и станционный датчик мощности (28). ЭА (1) и (14) имеют одинаковые номинальные мощности P_ном1=P_ном2=P_н. 2 ил.

Двухагрегатная автономная электростанция, содержащая первый электроагрегат (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 первого датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, кроме того, выход первого 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, а выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, причем второй 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 второй датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного входом управления включением - с выходом синхронизатора, входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления второго ЭА, а выходом - с первым входом синхронизатора, третий вход которого подключен к выходу логического элемента И, первый вход которого соединен со вторым выходом блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, кроме того, соответствующие разряды второго входа числового компаратора соединены с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, разряды первого входа - с соответствующими разрядами информационного выхода второго датчика активной мощности, а выход БОЛЬШЕ - с входом уменьшения уставки второго регулятора частоты вращения, информационный вход которого связан с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС второго ЭА, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности за счет упрощения схемы при высокой энергоэффективности снабжена вычитателем и станционным датчиком мощности, вход которого подключен к выходным зажимам трансформатора первого ЭА и выключателя второго ЭА, выход - к зажимам нагрузки, а разряды информационного выхода соединены с соответствующими разрядами входа уменьшаемого вычитателя, разряды входа вычитаемого - с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, выход признака отрицательной разности - с входом управления отключением выключателя и вторым входом блока автоматического управления, первый вход которого связан со вторым входом логического элемента И и выходом признака положительной разности вычитателя, кроме того, выход МЕНЬШЕ компаратора подключен к входу увеличения уставки второго регулятора частоты вращения.