Способ инверторного запуска дизель-генератора Российский патент 2024 года по МПК F02N11/08 H02P27/48 H02P9/08 H02P23/14 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для запуска дизель-генераторов.

Известен способ запуска дизель-генераторов локомотивов 2ТЭ116 с помощью электрического стартера постоянного тока, подключаемого контактором к аккумуляторной батарее, связанного механической передачей с валом дизеля (С.П. Филонов, А.И, Грибалов, В.Е. Быковский и др. Тепловоз 2ТЭ116 – руководство по устройству и обслуживанию. М.:Транспорт, 1985 г.).

Недостатком известного способа являются броски пускового тока в момент включения контактора, что снижает срок службы аккумуляторной батареи.

Известен способ пуска дизель-генератора, заключающийся в том, что в обмотку возбуждения синхронного генератора подают постоянный ток, одновременно с помощью инвертора напряжения формируют трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды, которое поступает на выводы обмотки статора (патент на изобретение RU 2781945C1 МПК F02N 11/08; H02M 7/48, опубл.21.10.2022).

Недостатками известного способа являются возможность выпадения синхронного генератора из синхронизма в процессе раскрутки дизеля и возможность прекращения раскрутки дизеля до выхода его на устойчивый режим.

Известен векторный способ управления синхронным генератором в режиме стартера, принятый за прототип, заключающийся в том, что в обмотку возбуждения синхронного генератора подают постоянный ток и формируют сигналы задания токов статора по поперечной и продольной осям во вращающейся системе координат на основе сигнала задания вращающего момента на валу синхронного генератора. Сигналы обратной связи по поперечной и продольной осям формируют путем преобразования фазных токов статора из неподвижной системы координат во вращающуюся по текущему положению ротора. На выходах регуляторов токов по поперечной и продольной осям формируется заданный вектор напряжения, который после обратного преобразования из вращающейся системы координат в неподвижную реализуется инвертором (Анищенко Н.В., Канунников Р.В., Яровой Г.И. Система управления синхронной машиной в режиме стартера. Ж. Электротехнические и компьютерные системы №22, 2016 г.).

Недостатком прототипа является необходимость установки на синхронный генератор датчика положения ротора, что снижает надежность системы запуска дизеля.

Техническим результатом изобретения являются отсутствие бросков пускового тока, что увеличит срок службы аккумуляторной батареи, предотвращение выпадения синхронного генератора из синхронизма в процессе раскрутки коленчатого вала дизеля и гарантированная раскрутка дизеля до выхода его на устойчивый режим, отсутствие необходимости установки датчика положения ротора, что повысит надежность системы запуска дизеля.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе инверторного запуска дизель-генератора, заключающемся в том, что в обмотку возбуждения синхронного генератора подают постоянный ток, а в фазные обмотки подают симметричную систему синусоидальных токов с частотой, равной нулю, частоту фазных токов выдерживают равной нулю в течение времени, достаточного для ориентации ротора синхронного генератора по магнитному полю статора, после чего плавно увеличивают частоту фазных токов от нуля до заданного значения.

Также технический результат достигается тем, что одновременно с началом увеличения частоты фазных токов смещают их фазу вперед на нормированный угол.

Также технический результат достигается тем, что контролируют входное напряжение инвертора и при превышении им нормированного значения дополнительно увеличивают частоту или фазу фазных токов таким образом, чтобы входное напряжение инвертора не превышало предельно допустимого значения.

Способ осуществляется следующим образом.

В обмотку возбуждения синхронного генератора, например, от аккумуляторной батареи подают постоянный ток заданной силы. При необходимости сила тока может задаваться с помощью дополнительного регулятора тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), выполненного на базе полумостового IGBT модуля с отрицательной обратной связью по току. В фазные обмотки синхронного генератора подают от инвертора симметричную систему синусоидальных токов с частотой, равной нулю. Инвертор может быть выполнен c отрицательной обратной связью по фазным токам и с независимым заданием амплитуды и частоты токов на базе микроконтроллера, полумостовых IGBT модулей, датчиков тока и напряжения. Питание инвертора также может осуществляться от аккумуляторной батареи непосредственно или через повышающий преобразователь с отрицательной обратной связью по входному напряжению инвертора, выполненный на базе микроконтроллера, дросселя, полумостового IGBT модуля, конденсатора, датчиков тока и напряжения.

В исходном состоянии ротор синхронного генератора находится в произвольном положении. После подачи токов в обмотки синхронного генератора его ротор повернется на некоторый угол таким образом, что он сориентируется по магнитному полю статора и займет устойчивое положение. В течение этого времени частоту фазных токов выдерживают равной нулю, чтобы предотвратить возможное движение ротора навстречу движению магнитного поля статора, что может привести к выпадению синхронного генератора из синхронизма. Затем плавно увеличивают частоту фазных токов, магнитное поле статора синхронного генератора вращается с нарастающей частотой, увлекая за собой ротор и коленчатый вал дизеля. Генератор работает в режиме двигателя.

При этом к валу синхронного генератора приложены вращающий электромагнитный момент и динамический момент синхронного генератора, а также момент статического сопротивления и динамический момент дизеля. Для предотвращения выпадения синхронного генератора из синхронизма сумма момента статического сопротивления и динамических моментов синхронного генератора и дизеля не должна превышать максимального электромагнитного момента синхронного генератора. Так как момент статического сопротивления определен конструкцией дизель-синхронного генератора, то ограничение должно быть наложено на динамический момент, т.е. на скорость увеличения частоты фазных токов. В соответствии с основным уравнением динамики вращательного движения предельная скорость увеличения частоты фазных токов должна быть

, (1)

где – предельная скорость увеличения частоты фазных токов, ;

– максимальный электромагнитный момент синхронного генератора, Нм, определяемый в соответствии с (Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений. -3-е изд., – Л: Энергия, 1978, стр. 712);

– момент статического сопротивления дизель-генератора, Нм, определяемый расчетным или опытным путем;

– момент инерции дизель-генератора, кгм², определяемый расчетным или опытным путем.

При достижении частоты вращения, необходимой для запуска дизеля, регулятор дизеля подает топливо в цилиндры и происходит его запуск.

Таким образом, подача в обмотку возбуждения синхронного генератора постоянного тока, а в фазные обмотки симметричной системы синусоидальных токов с частотой, равной нулю, и выдержка частоты фазных токов равной нулю в течение времени, достаточного для ориентации ротора синхронного генератора по магнитному полю статора с последующим плавным увеличением частоты фазных токов от нуля до заданного значения позволит раскрутить вал дизель-генератора до заданной частоты вращения без бросков пускового тока, что увеличит срок службы аккумуляторной батареи, без использования датчика положения ротора, что повысит надежность системы запуска дизеля, а также предотвратит выпадение синхронного генератора из синхронизма.

Если ротор синхронного генератора сориентирован по магнитному полю статора, то в момент, когда поле статора начало вращаться с некоторым ускорением, ускорение ротора равно нулю, что означает наличие механических колебаний ротора относительно поля статора. Для предотвращения колебаний необходимо одновременно с увеличением частоты фазных токов сместить их фазу вперед на угол, обеспечивающий равенство ускорений ротора и магнитного поля статора. Величина угла опережения может быть определена расчетным или опытным путем.

Таким образом, одновременное с началом увеличения частоты фазных токов смещение их фазы вперед на нормированный угол позволит предотвратить механические колебания ротора относительно поля статора, что увеличит запас устойчивости синхронного генератора в синхронизме.

После запуска дизеля на его валу появляется вращающий момент, направленный согласно с электромагнитным моментом синхронного генератора. Ротор синхронного генератора опережает по фазе магнитное поле статора и синхронный генератор переходит в режим генератора, инвертор переходит в режим управляемого выпрямителя, электрическая энергия поступает в источник питания инвертора и входное напряжение инвертора возрастает. По достижении входным напряжением нормированного значения дополнительно увеличивают частоту или фазу фазных токов таким образом, чтобы входное напряжение инвертора не превышало предельно допустимого значения. Дополнительное увеличение частоты или фазы фазных токов может быть реализовано с помощью задержанной обратной связи по входному напряжению инвертора с воздействием на частоту или фазу фазных токов, которые увеличиваются пропорционально превышению входного напряжения инвертора над нормированным значением, препятствуя возрастанию входного напряжения инвертора до предельно допустимого значения. Если запуск оказался частичным, т.е. вспышки в цилиндрах дизеля прекратились, генератор переходит в режим двигателя, входное напряжение инвертора снижается, действие задержанной обратной связи прекращается и увеличение частоты фазных токов продолжается до следующего запуска или до заданного значения.

Таким образом, контроль входного напряжения инвертора и при превышении им нормированного значения дополнительное увеличение частоты или фазы фазных токов таким образом, чтобы входное напряжение инвертора не превышало предельно допустимого значения позволит гарантированно раскрутить коленчатый вал дизеля до выхода его на устойчивый режим.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для запуска дизель-генераторов транспортных средств. Техническим результатом изобретения являются отсутствие бросков тока, потребляемого от аккумуляторной батареи, предотвращение выпадения синхронного генератора из синхронизма в процессе раскрутки коленчатого вала дизеля, что гарантирует его запуск, а также отсутствие необходимости устанавливать датчик положения ротора. Заявленный технический результат достигается за счет ориентации ротора синхронного генератора по магнитному полю статора путем подачи в фазные обмотки симметричной системы синусоидальных токов с частотой, равной нулю, в течение заданного времени с последующим плавным увеличением частоты фазных токов от нуля до заданного значения. Одновременно с началом увеличения частоты фазных токов возможно смещение их фазы вперед на нормированный угол. При запуске дизеля контролируют входное напряжение инвертора и при превышении им нормированного значения дополнительно увеличивают частоту или фазу фазных токов таким образом, чтобы входное напряжение инвертора не превышало предельно допустимого значения. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ инверторного запуска дизель-генератора, заключающийся в том, что в обмотку возбуждения синхронного генератора подают постоянный ток, а в фазные обмотки подают симметричную систему синусоидальных токов с частотой, равной нулю, отличающийся тем, что частоту фазных токов выдерживают равной нулю в течение времени, достаточного для ориентации ротора синхронного генератора по магнитному полю статора, после чего плавно увеличивают частоту фазных токов от нуля до заданного значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с началом увеличения частоты фазных токов смещают их фазу вперед на нормированный угол.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют входное напряжение инвертора и, при превышении им нормированного значения, дополнительно увеличивают частоту или фазу фазных токов таким образом, чтобы входное напряжение инвертора не превышало предельно допустимого значения.