Автономная электростанция переменного тока Российский патент 2022 года по МПК H02P9/48 H02J3/34 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и синхронного генератора, и предназначено для генерирования электроэнергии стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной частоте вращения вала ДВС.

Известно устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Пат. на изобретение 2412513, Российская Федерация, МПК H 02 J 3/34. Автономная электростанция переменного тока / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов. - № 2010101194/07; заявл. 15.01.2010; опубл. 20.02.2011, Бюл. №5.), содержащее последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор. Недостатком устройства является наличие повышающего трансформатора, что приводит к снижению КПД и ухудшению массо-габаритных показателей автономной электростанции.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Пат. на полезную модель 168615, Российская Федерация, МПК H02P 9/48. Автономная электростанция переменного тока / А.Б. Дарьенков, С.А. Гузев. - № 2016118233; заявл. 11.05.2016, опубл. 13.02.2017, Бюл. № 5.), содержащее последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, многообмоточный синхронный генератор, коммутатор, управляемый выпрямитель, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС. Недостатком устройства является наличие коммутатора, что приводит к снижению КПД электростанции.

Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации выходного напряжения автономной электростанции и минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.

Этот технический результат достигается тем, что в автономной электростанции переменного тока, содержащей последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, многообмоточный синхронный генератор, коммутатор, управляемый выпрямитель, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, коммутатор и последовательно соединенный с ним управляемый выпрямитель исключены, а между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения включены управляемые выпрямители, которые соединены с блоком управления выпрямителями, подключенным к выходу датчика частоты вращения вала ДВС.

Исключение коммутатора, а также включение между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения управляемых выпрямителей выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как повышает КПД автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации ее выходного напряжения и минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где показана функциональная схема устройства.

Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1, многообмоточный синхронный генератор 2, на выходах групп обмоток которого включены управляемые выпрямители 3₁ – 3_N, соединенные с входом инвертора напряжения 4, к выходу которого подключен датчик 5 тока с выходными выводами 6. К ДВС 1 подключены регулятор 7 частоты вращения вала ДВС 1, датчик 8 частоты вращения вала ДВС 1 и сумматор сигналов 9, входящие в блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, сюда же входит блок 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 12 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с выводами 13 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2, а также с выходом блока 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и выходом датчика 5 тока. Входы управляемых выпрямителей 3₁ – 3_N соединены с блоком 14 управления выпрямителями, который подключен к выходу датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1. Выход задатчика 15 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 4.

Устройство работает следующим образом.

Блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 получает сигнал с датчика 5 тока, измеряющего ток на выходе инвертора напряжения 4. В зависимости от значения тока на выходе инвертора напряжения 4, пропорционального мощности нагрузки, блок 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. С помощью сумматора сигналов 9 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 11 и сигнала датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора сигналов 9 поступает на вход регулятора 7 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 11. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 6, а значит и на валу ДВС 1, частота вращения вала ДВС 1 будет поддерживаться оптимальной с точки зрения минимального потребления топлива.

Поскольку частота вращения вала ДВС 1 будет изменяться в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения многообмоточного синхронного генератора 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.

Подключение выводов групп обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 к инвертору напряжения 4 осуществляется управляемыми выпрямителями 3₁, 3₂ или 3_N путем подачи управляющих импульсов на полупроводниковые ключи от блока 14 управления выпрямителями в зависимости от выходного сигнала датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1.

Управляемые выпрямители 3₁ – 3_N преобразуют переменное напряжение групп обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 в постоянное напряжение. Выходное напряжение управляемых выпрямителей 3₁ – 3_N преобразуется с помощью инвертора напряжения 4 в переменное напряжение синусоидальной формы.

При изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения частота вращения вала ДВС 1, а, следовательно, и амплитуда напряжения соединенного с ним многообмоточного синхронного генератора 2 будут меняться в широком диапазоне. Изменение частоты вращения вала ДВС 1 в зависимости от мощности нагрузки с помощью блока 11 происходит ступенчато.

При уменьшении частоты вращения ДВС 1 блок 14 путем подачи управляющих импульсов на полупроводниковые ключи управляемых выпрямителей 3₁, 3₂ или 3_N подключает вход инвертора напряжения 4 к группе обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 с бóльшим числом витков, что обеспечивает поддержание амплитуды напряжения на входе инвертора 4 на одном уровне. Количество возможных ступеней частоты вращения вала ДВС 1 задается на этапе разработки автономной электростанции, исходя из условий оптимизации потребления топлива.

Блок 12 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 13 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с учетом сигнала от блока 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и от датчика 5 тока.

Частота выходного трехфазного напряжения на выходных выводах 6 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора напряжения 4 на уровне, задаваемом задатчиком 15 частоты выходного напряжения.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и синхронного генератора, и предназначено для генерирования электроэнергии стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной частоте вращения вала ДВС. Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации выходного напряжения автономной электростанции и минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения. Этот технический результат достигается тем, что в автономной электростанции переменного тока, содержащей последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, многообмоточный синхронный генератор, коммутатор, управляемый выпрямитель, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, коммутатор и последовательно соединенный с ним управляемый выпрямитель исключены, а между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения включены управляемые выпрямители, которые соединены с блоком управления выпрямителями, подключенными к выходу датчика частоты вращения вала ДВС. 1 ил.

Автономная электростанция переменного тока, содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания (ДВС) переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, который содержит блок задания оптимальной частоты вращения вала ДВС, сумматор сигналов, датчик частоты вращения вала ДВС и регулятор частоты вращения вала ДВС, кроме того автономная электростанция переменного тока содержит многообмоточный синхронный генератор, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, отличающаяся тем, что между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения включены управляемые выпрямители, которые соединены с блоком управления выпрямителями, подключенным к выходу датчика частоты вращения вала ДВС.