Способ управления энергетической установкой с асинхронным стартер-генератором Российский патент 2024 года по МПК H02P9/48 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к автоматизированному управлению энергетическими установками с электрическими машинами. В частности - к способам управления энергетическими установками с асинхронными стартер-генераторами. Может быть использовано при проектировании таких энергетических установок, управлении ими и настройке систем управления.

Известен способ управления энергетической установкой- Патент на изобретение RU 2397089 C1, 20.08.2010. Сато Е., Оки Р., Такеути Д. (Устройство и способ управления подачей электрической мощности для гибридного транспортного средства) которая имеет два уровня выходных напряжений. Установка содержит первый источник питания (накопитель) высшего напряжения, электромашину с двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на валу, преобразователь напряжения, второй источник питания, управляющие устройства. При этом управляют запуском ДВС, посредством управления преобразователем напряжения асинхронной машиной (АМ) в режиме двигателя, а затем в генераторном режиме управляют возбуждением этой машины. Технический результат – повышение надежности запуска ДВС. Однако, регулирование заряда первого источник питания управлением возбуждения электромашины снижает КПД установки.

Известен способ управления энергетической установкой с асинхронным стартер-генератором, имеющей два выхода разных уровней напряжения(RU 2282301),.включающей асинхронную машину с короткозамкнутым ротором и валом, соединенным с валом ДВС, импульсный конденсатора энергоемкий в качестве накопителя энергии и аккумуляторную батарею, соединенную с выходом низшего напряжения установки. Установка включает также для управления три вентильных преобразователя, причем первый – соединен выводами переменного тока с фазами обмотки статора АМ, а его шины постоянного тока соединены с выходом высшего напряжения установки через стабилизатор, а с шинами накопителя энергии – через второй вентильный преобразователь, с возможностью его шунтирования.

Шины постоянного тока первого вентильного преобразователя соединены с шинами аккумуляторной батареи посредством третьего вентильного преобразователя, при этом третий вентильный преобразователь включает устройство регулирования тока заряда накопителя и устройство регулирования тока заряда аккумуляторной батареи,

Известный способ управления этой установкой состоит в следующем: перед началом запуска ДВС определяют степень заряженности накопителя энергии и, при недостаточном заряде, проводят подзарядку накопителя энергии от аккумуляторной батареи устройством регулирования тока заряда накопителя. Производят запуск ДВС, осуществляя частотный пуск асинхронной машины от накопителя энергии с номинальным напряжением через первый вентильный преобразователь, а второй вентильный преобразователь, на время запуска шунтируют так, что шины постоянного тока первого вентильного преобразователя соединяют непосредственно с шинами накопителя энергии, при этом работает устройство регулирования тока заряда аккумуляторной батареи.

После разгона АМ с ДВС на валу до рабочей скорости включают в работу ДВС, причем увеличивают его вращающий момент так, что частота вращения вала возрастает до значений больших частоты вращения магнитного поля асинхронной машины и, таким образом, переводят асинхронную машину в режим генератора.

При дальнейшем увеличении частоты вращения вала вводят в работу второй вентильный преобразователь (прекращают его шунтирование) и управляют с помощью этого преобразователя током заряда накопителя энергии, причем ограничивают ток его заряда на заданном уровне. Также управляют током заряда аккумуляторной батареи и ограничивают этот ток заряда на заданном уровне, а напряжение на выходе высшего напряжения стабилизируют с помощью стабилизатора. При этом, при увеличении частоты вращения вала до частот вращения значительно выше номинальной, управляют частотой первого вентильного преобразователя так, чтобы амплитуда напряжений фаз статора асинхронной машины увеличивалась при увеличении частоты вращения вала.

Достоинства способа - возможность управления зарядом накопителя и аккумуляторной батареи в генераторном режиме.

Недостатки - снижается надежность, т.к. при запуске ДВС происходит заряд аккумуляторной батареи от накопителя, уменьшая энергию, требуемую для надежного запуска ДВС.

Также не высокий КПД, т.к. увеличение амплитуды напряжений асинхронной машины с увеличением частоты вращения вала только при частотах вращения значительно выше номинальной приводит к увеличению скольжения и потерь в роторе машины при меньших частотах вращения вала.

Технический результат - увеличение надежности энергетической установки, а также повышение ее КПД при работе асинхронной машины генератором.

Технический результат достигается тем, что в способе управления энергетической установкой, включающей асинхронную машину с короткозамкнутым ротором на валу двигателя внутреннего сгорания, два выхода с разными уровнями напряжений, накопитель энергии и аккумуляторную батарею, соединенную с выходом низшего напряжения установки, а также три вентильных преобразователя для управления энергетической установкой, причем первый преобразователь снабжен выводами переменного тока соединенными с фазами обмотки статора асинхронной машины, а его шины постоянного тока соединены с выходом высшего напряжения установки через стабилизатор, а с шинами накопителя энергии через второй вентильный преобразователь, с возможностью его шунтирования, причем эти шины постоянного тока соединены с шинами аккумуляторной батареи посредством третьего вентильного преобразователя, при этом третий вентильный преобразователь включает устройство управления током заряда накопителя энергии и устройство управления током заряда аккумуляторной батареи, в соответствии с которым, перед началом запуска двигателя внутреннего сгорания определяют степень заряженности накопителя энергии и, при недостаточном его заряде, проводят подзарядку накопителя энергии от аккумуляторной батареи через устройство регулирования тока заряда накопителя, после окончания подзарядки производят запуск двигателя внутреннего сгорания путем частотного пуска асинхронной машины от накопителя энергии через первый вентильный преобразователь, а второй вентильный преобразователь на время запуска двигателя внутреннего сгорания шунтируют, при этом после разгона вала до рабочей скорости включают в работу двигатель внутреннего сгорания, причем увеличивают его вращающий момент так, что частота вращения вала возрастает до значений больших частоты вращения магнитного поля асинхронной машины и, таким образом, переводят асинхронную машину в режим генератора, при дальнейшем увеличении частоты вращения вала вводят в работу второй вентильный преобразователь и посредством него производят заряд накопителя энергии, причем ограничивают этот ток заряда на заданном уровне, а напряжение на выходе высшего напряжения энергетической установки стабилизируют с помощью упомянутого стабилизатора, при этом, управляют устройством регулирования тока заряда аккумуляторной батареи, причем ограничивают этот ток заряда на заданном уровне, на время запуска двигателя внутреннего сгорания выключают третий вентильный преобразователь, а в генераторном режиме асинхронной машины при изменении частоты вращения упомянутого вала отношение усредненной амплитуды напряжений фаз асинхронной машины к частоте этого напряжения поддерживают близким к величине, соответствующей номинальному значению магнитного потока асинхронной машины.

Пример конкретной реализации предложенного способа согласно изобретению иллюстрирует способ управления энергетической установкой с асинхронным стартер-генератором, изображенной на чертеже, - для автомобилей.

На чертеже обозначены узлы энергетической установки и устройства управления и регулирования.

На валу асинхронной машины 1 с короткозамкнутым ротором расположен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 2. Фазы статора асинхронной машины 1 (работает в стартерном и генераторном режиме - асинхронный стартер-генератор) соединены с выводами переменного тока А, В, С первого вентильного преобразователя (ВП1) 3, выполненного, например, по схеме трехфазного мостового автономного инвертора напряжения с конденсатором фильтра (Сф1) 4, выводы постоянного тока 5, 6 которого соединены с однополярными выводами накопителя электроэнергии 7, выполненного, например, в виде импульсного конденсатора энергоемкого (ИКЭ), через второй вентильный преобразователь (ВП2) 8 постоянного напряжения в постоянное (Зиновьев Г.С. Силовая электроника, 2015. С. 331-355).

Второй вентильный преобразователь 8 шунтирован нормально замкнутым контактом 9, порогового элемента (ПЭ) 10,управляющий вход которого подключен к выводам постоянного тока 5, 6. Выход блока автоматического управления (БАУ) 11, для регулирования частоты и амплитуда напряжений фазы статора асинхронной машины 1, соединен с управляющим входом 12 первого вентильного преобразователя 3. На выводы А, В, С подключен вход датчика напряжения 13 (ДН), выход которого соединен со входом блока автоматического управления 11. Блок автоматического управления 11 выполнен, например, как описано в книге Зиновьев Г.С. Силовая электроника, 2015. С. 526-529.

Устройство регулирования тока заряда накопителя 7 включает: датчик тока 14, элемент сравнения 15, узел задания токазаряда16 (ЗТ1) и систему управления зарядом 17 (СУ1), выход которой соединен со входом второго вентильного преобразователя 8 (ВП2). Система управления током заряда 17 включает регулятор тока и формирователь импульсов управления - Зиновьев Г.С. Силовая электроника, 2015. С. С. 331-355.

Между выводами постоянного тока 5, 6 первого вентильного преобразователя 3 и потребителями 18 (П1) высшего напряжения расположен стабилизатор 19 (СТ) так, что его выход является выходом высшего напряжения описываемой энергетической установки.

Выводы постоянного тока 5, 6 преобразователя 3 соединены с однополярными выводами третьего вентильного преобразователя 20 (ВП3) с транзисторами 21, 23 (VT1 и VT2), диодами 22 и 24 (VD1 и VD2), индуктивной катушкой 25 (L).Емкостной фильтр 26 (Сф2) подключен к шинам 27, 28, вентильного преобразователя 20, которые соединены с аккумуляторной батареей 29 (G) через датчик тока 30.Кшинам 27, 28 подключены потребители низшего напряжения 31 (П2).

Устройство регулирования тока заряда аккумуляторной батареи 29 включает транзистор 21, диод 22, индуктивную катушку 25 (например, в виде сглаживающего дросселя), преобразователя 20 и емкостной фильтр (Сф2) 26, а также датчик тока 30, элемент сравнения 32, устройство задания тока 33 (ЗТ3) заряда аккумуляторной батареи 29 и систему управления 34 (СУ3) током заряда, которые выполнены как в устройстве регулирования тока заряда накопителя 7.

Устройство регулирования тока подзарядки накопителя 7 от аккумуляторной батареи 29 включает транзистор 23, диод 24, индуктивную катушку 25, преобразователя 20 и емкостной фильтр (Сф2) 26, а также датчик тока 14, элемент сравнения 35, устройство задания тока подзарядки 36 (ЗТ3) и систему управления 37 (СУ3) током подзарядки, которые выполнены как в устройстве регулирования тока заряда накопителя 7.

Второй вентильный преобразователь 8 может быть выполнен аналогично силовой части устройства регулирования тока заряда аккумуляторной батареи 29: с транзистором VT1, диодом VD1 и индуктивной катушкой L.

Предложенный способ управления для этой энергетической установки реализуется следующим образом.

Перед началом запуска ДВС 2 определяют степень заряженности накопителя энергии 7 и, при недостаточном его заряде, проводят подзарядку накопителя энергии 7 от аккумуляторной батареи 29 посредством регулирования тока подзарядки накопителя 7 (предпускового заряда накопителя) транзистором 23, причем ограничивают ток его заряда на заданном уровне, определяемым, устройство задания 36. При этом вентильный преобразователь 20 работает в режиме повышающего широтно-импульсного преобразователя напряжения. См. Зиновьев Г.С. Силовая электроника, 2015. С. 332-334.

После окончания подзарядки накопителя 7 производят запуск ДВС 2, осуществляя частотный пуск асинхронной машины 1 от накопителя энергии 7 путем увеличения частоты переменного напряжения первого вентильного преобразователя 3, а второй вентильный преобразователь 8 на время запуска ДВС 2 шунтируют нормально замкнутым контактом 9.Напряжение входа управляемого порогового элемента (ПЭ) 10 (например, в виде реле) не достаточно для его срабатывания.

После разгона вала до рабочей скорости включают в работу ДВС 2, причем увеличивают его вращающий момент так, что частота вращения вала возрастает до значений больших частоты вращения магнитного поля асинхронной машины 1 и, таким образом, переводят асинхронную машину 1 в режим генератора,

При дальнейшем увеличении частоты вращения вала и увеличении напряжения на выводах постоянного тока 5, 6, срабатывает пороговый элемент 10, нормально замкнутый контакт 9 размыкается и, таким образом, вводят в работу второй вентильный преобразователь 8. Напряжение на потребителях 18 высшего напряжения стабилизируют с помощью стабилизатора 19.

Производят вторым вентильным преобразователем 8 заряд накопителя 7, причем управляют преобразователем 8 так, что ограничивают ток заряда накопителя 7 на уровне, определяемым устройством задания тока 16.

При этом также включают в работу устройство регулирования тока заряда аккумуляторной батареи на транзисторе 21, причем ограничивают ток ее заряда на заданном уровне, определяемым устройством задания тока 33.

Причем, с целью повышения надежности, на время запуска ДВС выключают третий вентильный преобразователь 20, путем подачи запирающего напряжения на базы транзисторов 21 и 23.

С целью увеличения КПД установки, при переходе асинхронной машины 1 в генераторный режим регулируют частоту и напряжения фаз ее статора таким образом, что при изменении частоты вращения вала ДВС 2 отношение усредненной амплитуды напряжений фаз А, В, С асинхронной машины 1, определяемой датчиком напряжения 13, к частоте этого напряжения, задаваемой блоком автоматического управления 11, поддерживают близким к величине, соответствующей номинальному значению магнитного потока асинхронной машины 1.

Таким образом, повышается надежность установки, т.к. при запуске ДВС не тратится энергия на заряд аккумуляторной батареи от накопителя энергии.

Также увеличивается КПД установки в генераторном режиме, т.к. генераторном режиме асинхронной машины при изменении частоты вращения ее вала отношение усредненной амплитуды напряжений фаз асинхронной машины к частоте этого напряжения поддерживают близким к величине, соответствующей номинальному значению магнитного потока асинхронной машины, при всех частотах вращения вала.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам управления энергетическими установками с асинхронными стартер-генераторами. Согласно способу управления энергетической установкой, которая имеет два уровня выходных напряжений, включающей накопитель энергии, асинхронную машину с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) на валу, управляемую первым вентильным преобразователем, второй вентильный преобразователь для заряда накопителя энергии и третий вентильный преобразователь с устройством подзарядки накопителя энергии и устройством заряда аккумуляторов, определяют степень заряженности накопителя энергии и при недостаточной заряженности проводят подзарядку накопителя энергии от аккумуляторной батареи, производят запуск ДВС, осуществляя частотный пуск асинхронной машины с ДВС на валу от накопителя энергии через первый вентильный преобразователь. При этом второй вентильный преобразователь на время запуска шунтируют. Затем переводят асинхронную машину в режим генератора и включают в работу второй вентильный преобразователь и устройство заряда аккумуляторов, на время запуска двигателя внутреннего сгорания выключают третий вентильный преобразователь, а в генераторном режиме асинхронной машины при изменении частоты вращения упомянутого вала отношение усредненной амплитуды напряжений фаз асинхронной машины к частоте этого напряжения поддерживают близким к величине, соответствующей номинальному значению магнитного потока асинхронной машины. Технический результат заключается в повышении надежности и кпд установки. 1 ил.

Способ управления энергетической установкой, включающей асинхронную машину с короткозамкнутым ротором на валу двигателя внутреннего сгорания, два выхода с разными уровнями напряжений, накопитель энергии и аккумуляторную батарею, соединенную с выходом низшего напряжения установки, а также три вентильных преобразователя для управления энергетической установкой, причем первый вентильный преобразователь снабжен выводами переменного тока, соединенными с фазами обмотки статора асинхронной машины, а его шины постоянного тока соединены с выходом высшего напряжения установки через стабилизатор, а с шинами накопителя энергии - через второй вентильный преобразователь с возможностью его шунтирования, причем эти шины постоянного тока соединены с шинами аккумуляторной батареи посредством третьего вентильного преобразователя, при этом третий вентильный преобразователь включает устройство управления током заряда накопителя энергии и устройство управления током заряда аккумуляторной батареи, в соответствии с которым перед началом запуска двигателя внутреннего сгорания определяют степень заряженности накопителя энергии и при недостаточном его заряде проводят подзарядку накопителя энергии от аккумуляторной батареи через устройство регулирования тока заряда накопителя, после окончания подзарядки производят запуск двигателя внутреннего сгорания путем частотного пуска асинхронной машины от накопителя энергии через первый вентильный преобразователь, а второй вентильный преобразователь на время запуска двигателя внутреннего сгорания шунтируют, при этом после разгона вала до рабочей скорости включают в работу двигатель внутреннего сгорания, причем увеличивают его вращающий момент так, что частота вращения вала возрастает до значений, больших частоты вращения магнитного поля асинхронной машины, и, таким образом, переводят асинхронную машину в режим генератора, при дальнейшем увеличении частоты вращения вала вводят в работу второй вентильный преобразователь и посредством него производят заряд накопителя энергии, причем ограничивают этот ток заряда на заданном уровне, а напряжение на выходе высшего напряжения энергетической установки стабилизируют с помощью упомянутого стабилизатора, при этом управляют устройством регулирования тока заряда аккумуляторной батареи, причем ограничивают этот ток заряда на заданном уровне, отличающийся тем, что на время запуска двигателя внутреннего сгорания выключают третий вентильный преобразователь, а в генераторном режиме асинхронной машины при изменении частоты вращения упомянутого вала отношение усредненной амплитуды напряжений фаз асинхронной машины к частоте этого напряжения поддерживают близким к величине, соответствующей номинальному значению магнитного потока асинхронной машины.