Электромашинное устройство гарантированного питания Российский патент 2024 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве электромашинного устройства гарантированного питания потребителей ответственных объектов.

Известно электромашинное устройство гарантированного питания (ЭУГП) потребителей различных объектов, содержащее промышленную сеть (ПС), аккумуляторную батарею (АБ), первый трехмашинный агрегат (ТМА1), второй трехмашинный агрегат (ТМА2) и третий, идентичный двум первым, трехмашинный агрегат (ТМАЗ), каждый из которых содержит двигатель постоянного тока (ДПТ1), трехфазный асинхронный двигатель (ТАД1) и синхронный генератор с электромагнитным возбуждением (СГЭВ1), шкафы переменного тока (ШПТ), шкаф резервного агрегата (ШРА), шкафы нагрузки и коммутационную аппаратуру (КА), при этом синхронный генератор каждого ТМА подключен к шкафу нагрузки, а каждый двигатель постоянного тока подключен к собственной станции управления (СУ), аккумуляторная батарея (АБ) подзаряжается от промышленной сети с помощью параллельно подключенной к батареи параллельно цепи, содержащей последовательно включенные нестабилизированный преобразователь (ПС) и стабилизированный по напряжению преобразователь (ПСС) [1].

Данное электромашинное устройство нашло широкое распространение среди устройств электроснабжения, поскольку в нем потребители обеспечены электроэнергией при наличии источника постоянного тока и источника переменного тока, при этом потребители получают от синхронных генераторов напряжение синусоидальной формы стабилизированное, как по напряжению, так и по частоте в широком диапазоне мощностей. Однако рассматриваемому устройству присущи и недостатки: большое число электрических машин, появление провала напряжения при переходе с постоянного тока на источник переменного тока, сравнительно низкая, надежность ввиду того, что в каждом ТМА используются ДПТ, имеющие щеточно-коллекторный узел и относительно низкий КПД, ввиду низких значений вероятности безотказной работы всех электрических машин и сложность электрической схемы устройства. Указанные недостатки ограничивают применение данного ЭУГП для питания потребителей ответственных объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД и надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в электромашинном устройстве гарантированного питания содержащим первый источник энергии, в качестве которого используется промышленная сеть и второй источник энергии в качестве которого применяется аккумуляторная батарея, причем оба источника энергии подключены к общим шинам постоянного тока, первый с помощью выпрямителя, а второй при помощи разделительного диода, включенного в положительный провод, первый электромашинный агрегат, второй электромашинный агрегат и третий электромашинный, причем указанные агрегаты идентичны и включены параллельно между собой и общие шины нагрузки, в каждом электромашинном агрегате установлены только две электрические машины: бесконтактный двигатель постоянного тока и синхронный генератор с постоянными магнитами, соединенные общим валом, при этом указанный двигатель содержит инвертор, формирователь импульсов, датчик положения ротора и синхронный двигатель, причем инвертор каждого агрегата подключен к общим шинам постоянного тока, инвертором управляет формирователь импульсов, сигналы на который поступают от датчика положения ротора, установленного на первом торце вала синхронного двигателя, а второй торец вала указанного двигателя соединен с ротором синхронного генератора с постоянными магнитами, обмотка статора синхронного двигателя подключена к инвертору, а обмотка статора синхронного генератора подключена к общим шинам нагрузки.

На чертеже представлена структурная схема электромашинного устройства гарантированного питания.

Устройство содержит первый источник энергии 1, содержащий промышленную сеть 1-1 и выпрямитель 1-2 и второй источник энергии 2, содержащий аккумуляторную батарею 2-1 и разделительный диод 2-2, при этом источники 1 и 2 подключены к общим шинам постоянного тока 3.

Первый электромашинный агрегат 4 содержит инвертор 4-1, формирователь импульсов 4-2, датчик положения ротора 4-3, синхронный двигатель 4-4, синхронный генератор с постоянными магнитами 4-5, при этом инвертор 4-1 подключен к общим шинам постоянного тока 3, а выходное напряжение инвертора 4-1 поступает на обмотку статора (не обозначена) синхронного двигателя 4-4, обмотка статора (не обозначена) синхронного генератора 4-5 подключена к общим шинам нагрузки 7. Поскольку электромашинные агрегаты 4, 5 и 6 идентичны, то бесконтактный двигатель постоянного тока (не обозначен) первого электромашинного агрегата 4 содержит инвертор 4-1, формирователь импульсов 4-2, датчик положения ротора 4-3 и синхронный двигатель 4-4. По аналогии бесконтактный двигатель постоянного тока (не обозначен) электромашинного агрегата 5 содержит инвертор 5-1, формирователь импульсов 5-2, датчик положения ротора 5-3 и синхронный двигатель 5-4 и наконец бесконтактный двигатель постоянного тока (не обозначен) третьего электромашинного агрегата 6 содержит инвертор 6-1, формирователь импульсов 6-2, датчик положения ротора 6-3 и синхронный двигатель 6-4. Первый торец вала каждого синхронного двигателя 4-4, 5-4 и 6-4 имеет свой датчик положения ротора 4-3, 5-3 и 6-3, а второй торец вала указанных двигателей закреплен с валом (не показан) синхронного генератора. Названные торцы валов не показаны. К шинам нагрузки 7 подается напряжение от статоров всех генераторов 4-5, 5-5 и 6-5. Включение источников энергии 1 и 2 на общие шины 3 позволяют обеспечить непрерывную работу электромашинных агрегатов 4, 5 и 6, потому что при наличии напряжения промышленной сети разделительный диод 2-2 будет закрыт и аккумуляторная батарея 2-2 не будет разряжаться. При отключении напряжения промышленной сети работу устройства обеспечивает аккумуляторная батарея. В предложенной схеме устройства электромеханическое преобразование электрической энергии заменено электронно-магнитным.

Устройство работает следующим образом.

В статическом режиме при отсутствии напряжения на общих шинах постоянного тока 3 бесконтактный двигатель 4, 5 или 6 агрегатов не вращается, поэтому синхронный генератор 4-5, 5-5 или 6-5 напряжение на шины нагрузки 7 не выдает, поэтому потребители (не обозначены) не работают. При наличии напряжения на общих шинах постоянного тока 3 по любой причине (подключилась промышленная сеть 1-1, и аккумуляторная батарея 2-1 или вместе включились одновременно) в устройстве возникают различные процессы. Отметим, что напряжение промышленной сети после выпрямления имеет величину на 1…1,5 В выше, чем номинальное напряжение аккумуляторной батареи 2-1. Данное положение установлено для того, чтобы указанная батарея не разряжалась при наличии напряжения от выпрямителя 1-2, что способствует увеличению срока службы второго источника энергии 2.

Если на общих шинах постоянного тока 3 появилось напряжение, то под действием этого напряжения в инверторах 4-1, 5-1 и 6-1 появятся токи, схожие с токами холостого хода и напряжения всех инверторов в виде информационных сигналов поступят в статорные обмотки синхронных двигателей 4-4, 5-4 и 6-4, в результате чего их роторы сделают движение в виде рывка, под действием которого в схемах датчиков положение ротора 4-3, 5-3 и 6-3 постоянные магниты подвинутся к чувствительному элементу (дроссель насыщения), с которого снимется сигнал прямоугольной формы или подобной ей, поступающий в формирователь импульсов 4-2, 5-2 или 6-2. Сигнал, выдаваемый формирователем импульсов, обеспечивает открытие транзисторов инверторов и устройство начинает достигать рабочего режима: двигатели 4-4, 5-4 и 6-4 приходят во вращение, отчего синхронные генераторы 4-5, 5-5 и 6-5 обеспечивают наличие напряжения на шинах нагрузки 7.

Останов устройства осуществляется только при снятии напряжения с общих шин постоянного тока 3 [2].

Устройство содержит три бесконтактных двигателя постоянного тока, общий КПД, которых равен

При средней мощности КПД синхронных генераторов с постоянными магнитами

тогда общий КПД устройства будет равен

Если учесть, что КПД обычного двигателя постоянного тока такой же мощности 0,75, КПД асинхронного двигателя 0,84, а КПД синхронного генератора с электромагнитным возбуждением при заданной мощности 0,87, то КПД электромашинного агрегата будет равен

Не производя дальнейших расчетов, отметим, что КПД устройства, предложенного в данной заявке, выше КПД устройств с обычными магнитами примерно на 25%.

Аналогично можно найти выигрыш в надежности, зная, что вероятность безотказной работы асинхронного двигателя при t=20000 часов равна 0,92, а вероятность ДПТ не превышает 0,74 в то время, как вероятность безотказной работы синхронного генератора с электромагнитным возбуждением равна 0,83, то получим

в то время как вероятность безотказной работы бесконтактных двигателей постоянного тока по данным М.М. Кацмана равна (t=20000 час)

Данные расчеты подтверждены работами ученых: И.Е. Овчинникова, Д.И. Бутом, В.Н. Тарасовым и В.А. Кузнецовым [3,4].

Таким образом технический результат полностью достижим. Кроме того, в предложенном устройстве скорость вращения вала ротора синхронных генераторов является повышенной по точности. Последнее достоинство устройства составляет отсутствие провалов напряжения.

Источники информации

1. Шейкина Т.С., Ханин Ц.И., Шалашова Л.М. Эксплуатация электропитающих установок систем передачи. М., Радио и связь, 1982, рис. 2.2, рис. 2.2., стр. 86.

2. Овчинников И.Е. Вентильные двигатели и привод на их основе СПб, Корона-Век, 2012, 336 с.

3. Тарасов В.Н., Останин С.Ю. Основы теории вентильного электропривода М., МЭИ, 1997, 84 с.

4. Кузнецов В.А., Извеков В.И. Вентильные электрические двигатели М.,МЭИ, 1998,60 с.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве устройства гарантированного питания потребителей ответственных объектов. Электромашинное устройство гарантированного электропитания содержит первый источник энергии, в качестве которого используется промышленная сеть с выпрямителем и второй источник, в качестве которого применяется аккумуляторная батарея, при этом в плюсовом проводе батареи установлен разделительный диод, оба источника образуют общие шины постоянного тока, первый электромашинный агрегат, второй электромашинный агрегат и третий электромашинный агрегат, указанные агрегаты идентичны и включены параллельно между собой, при этом в каждом агрегате установлены две электрические машины: бесконтактный двигатель постоянного тока и синхронный генератор с постоянными магнитами, при этом указанный двигатель содержит инвертор, формирователь импульсов, датчик положения ротора и синхронный двигатель, при этом инвертор подключен к общим шинам постоянного тока, транзисторами управляет формирователь импульсов, получающий сигналы от датчика положения ротора, установленный на первом торце вала синхронного двигателя, а второй торец данного вала соединен с валом синхронного генератора с постоянными магнитами, обмотка статора синхронного двигателя соединена с инвертором, а обмотка статора синхронного генератора с постоянными магнитами соединена с общими шинами нагрузки, к которым подключены потребители. Данное устройство экономичнее известных и его КПД превышает КПД трехмашинного агрегата почти на 25%. Кроме того, надежность предлагаемого устройства выше надежности известных агрегатов, поскольку в нем применяются перспективные электрические машины, его отличают отсутствие провалов напряжения при смене источников энергии и высокая точность частоты вращения вала синхронных генераторов. 1 ил.

Электромашинное устройство гарантированного питания, содержащее первый источник энергии, в качестве которого используется промышленная сеть и второй источник энергии, в качестве которого применяется аккумуляторная батарея, причем оба источника энергии подключены к общим шинам постоянного тока, первый с помощью выпрямителя, а второй при помощи разделительного диода, включенного в положительный провод, первый электромашинный агрегат, второй электромашинный агрегат и третий электромашинный агрегат, причем указанные агрегаты идентичны и включены параллельно между собой, и общие шины нагрузки, отличающееся тем, что в каждом электромашинном агрегате установлены две электрические машины: бесконтактный двигатель постоянного тока и синхронный генератор с постоянными магнитами, соединенные общим валом, при этом указанный двигатель содержит инвертор, формирователь импульсов, датчик положения ротора и синхронный двигатель, причем инвертор каждого агрегата подключен к общим шинам постоянного тока, инвертором управляет формирователь импульсов, сигналы на который поступают от датчика положения ротора, установленного на первом торце вала синхронного двигателя, а второй торец вала указанного двигателя соединен с ротором синхронного генератора с постоянными магнитами, обмотка статора синхронного двигателя подключена к инвертору, а обмотка статора синхронного генератора подключена к общим шинам нагрузки.