Автономная электростанция переменного тока
STAND-ALONE AC POWER PLANT

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе ДВС и синхронного генератора, и предназначено для генерирования электроэнергии стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной частоте вращения вала ДВС.
Известно устройство для генерирования переменного напряжения, выполненное на базе ДВС и синхронного генератора, в котором стабилизация частоты переменного напряжения статора синхронного генератора обеспечивается стабилизацией частоты вращения вала ДВС, а стабилизация амплитуды напряжения статора синхронного генератора - изменением тока его обмотки возбуждения [П.А. Мещанинов. Автоматизация  судовых электроэнергетических систем. Л., Судостроение, 1970, с.156-162]. Недостатком устройства является низкий КПД (высокое потребление топлива) за счет того, что ДВС при разных нагрузках работает с постоянной частотой вращения.
Также известно устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Патент РФ № 2412513 на изобретение, опубл. бюл. № 5, 20.02.2011), 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 в виде одного блока, 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, инвертор напряжения с подключенным  к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор. Стабилизация частоты и амплитуды выходного напряжения данного устройства осуществляется на уровне номинальных значений для синхронного генератора при условии минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Недостатком устройства является  то, что в программу работы блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС необходимо закладывать зависимость оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения ДВС от мощности нагрузки. Однако, указанная зависимость для каждого конкретного ДВС носит индивидуальный характер и производителями ДВС, как правило, не предоставляется. Кроме того, эта зависимость меняется при изменении условий внешней среды, степени износа ДВС, а также марки и качества используемого топлива.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (заявка на изобретение № 2013139844/07, опубл. бюл. № 7, 10.03.2015), содержащая последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, состоящим из датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала ДВС, регулятора частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов и блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС, выполненного в виде контроллера обучения, контроллера управления и блока ассоциативной памяти, 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. В данном устройстве обеспечивается автоматическое определение, не требующее знания характеристик ДВС, оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС, входящего в состав генераторного агрегата.
Недостатком устройства является  то, что при определении оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС не учитываются давление, температура и влажность атмосферного воздуха, которые влияют на потребление топлива ДВС (Небеснов В.И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов. М. – Транспорт, 1974, с. 90–100). Учет давления, температуры и влажности атмосферного воздуха позволит более точно и быстро определять оптимальную с точки зрения потребления топлива частоту вращения вала ДВС.
Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока, оснащенной интеллектуальной системой управления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является автоматическое определение, не требующее знания характеристик ДВС, оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС, входящего в состав генераторного агрегата с учетом давления, температуры и влажности атмосферного воздуха.
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, состоящим из датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала ДВС, регулятора частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов и блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС, выполненного в виде контроллера обучения, контроллера управления и блока ассоциативной памяти, 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, к контроллеру обучения подключены датчики давления, температуры и влажности окружающего воздуха.
Подключение к контроллеру обучения датчиков давления, температуры и влажности окружающего воздуха выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как позволяет учесть давление, температуру и влажность атмосферного воздуха, что обеспечивает более точное и быстрое определение оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства.
Автономная электростанция переменного тока с интеллектуальным управлением содержит последовательно соединенные ДВС 1, синхронный генератор 2, управляемый выпрямитель 3, конденсаторную батарею 4, датчик тока 5, инвертор напряжения 6, повышающий трансформатор 7 с выходными выводами 8. К ДВС 1 подключены регулятор 9 частоты вращения вала ДВС, датчик 10 частоты вращения вала ДВС, сумматор сигналов 11, входящие в состав блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, сюда же входит блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, который состоит из контроллера управления 14, контроллера обучения 15 и блока 16 ассоциативной памяти. В состав блока 12 также входит датчик 17 потребляемого топлива, вход которого подключен к ДВС 1, а выход подключен к контроллеру обучения 15. К контроллеру обучения 15 подключены также датчик 18 давления окружающего воздуха, датчик 19 температуры  окружающего воздуха и датчик 20 влажности окружающего воздуха.
Блок 21 возбуждения синхронного генератора 2 с выводами 22 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения синхронного генератора 2 и с выходом контроллера управления 14. Блок 23 стабилизации напряжения, состоящий из задатчика 24 напряжения, сумматора сигналов 25 и регулятора напряжения 26, соединен с выходом датчика напряжения 27, с которым соединен также блок 21 возбуждения синхронного генератора 2. Вход блока 13 соединен с выходом блока 28 вычисления мощности нагрузки, входы которого соединены с выходами датчика напряжения 27 и датчика тока 5. Выход задатчика 29 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 6. Причем, первый вход контроллера управления 14 соединен с выходом блока 28 вычисления мощности нагрузки, второй вход – с выходом блока 16 ассоциативной памяти, третий вход – с выходом контроллера обучения 15, первый выход контроллера управления 14 соединен с сумматором сигналов 11 блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, второй выход – с входом блока 16 ассоциативной памяти, третий выход – с контроллером обучения 15.
Устройство работает следующим образом.
Блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, входящий в состав блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, получает сигнал с блока вычисления мощности нагрузки 28, который соединен с выходами датчика напряжения 27 и датчика тока 5, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя 3.  В зависимости от значения мощности нагрузки блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, состоящий из контроллера управления 14, контроллера обучения 15 и блока 16 ассоциативной памяти, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1.
Блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС работает следующим образом. Блок 16 ассоциативной памяти  представляет собой многослойную нейронную сеть, которая обладает способностью накапливать дискретные значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС 1 для соответствующих дискретных значений мощности нагрузки электростанции. Кроме того, блок 16 ассоциативной памяти для отсутствующих в памяти дискрет мощности нагрузки на основе методов ассоциации и интерполяции в пределах диапазона "обучения" может генерировать значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС 1. Диапазон "обучения" блока 16 ассоциативной памяти  -  это диапазон дискретных значений мощности нагрузки, для которых в памяти хранятся соответствующие значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС 1 – логические пары "мощность нагрузки – оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1" для различных значений давления, температуры и влажности окружающего воздуха.
Контроллер управления 14 обрабатывает сигнал от блока 28 вычисления мощности нагрузки, датчика 18 давления окружающего воздуха, датчика 19 температуры окружающего воздуха и датчика 20 влажности окружающего воздуха.
Если значение мощности нагрузки при текущих значениях давления, температуры и влажности окружающего воздуха, принадлежит диапазону, в котором производилось "обучение" блока 16 ассоциативной памяти, то контроллер управления 14 передает значение мощности нагрузки в блок 16 ассоциативной памяти, принимая в ответ оптимальное с точки зрения потребления топлива значение частоты вращения вала ДВС 1 для данного значения мощности нагрузки и данных значений давления, температуры и влажности окружающего воздуха. Полученное от блока 16 ассоциативной памяти значение оптимальной частоты вращения вала ДВС контроллер управления 14 передает на вход сумматора сигналов 11.
Если текущее значение мощности нагрузки при текущих значениях давления, температуры и влажности окружающего воздуха, не принадлежит диапазону, в котором производилось "обучение" блока 16 ассоциативной памяти, то контроллер управления 14 передает значения мощности нагрузки, давления, температуры и влажности окружающего воздуха контроллеру обучения 15. Контроллер обучения 15 определяет новую логическую пару "мощность нагрузки – оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1" для конкретных значений давления, температуры и влажности окружающего воздуха следующим образом. Контроллер обучения 15, воздействуя на контроллер управления 14, изменяет текущее значение заданной частоты вращения вала ДВС 1, формируемое на выходе котроллера управления 14, на некоторую величину. При этом с помощью датчика 17 контроллер обучения 15 определяет изменение величины удельного потребления топлива. По знаку изменения величины удельного потребления топлива контроллер обучения 15 определяет, в каком направлении необходимо далее изменять частоту вращения вала ДВС 1 – в сторону увеличения или уменьшения. На следующем шаге работы контроллера обучения 15 изменение частоты вращения вала ДВС 1 происходит уже на меньшую величину, чем на предыдущем шаге. Процесс изменения частоты вращения вала ДВС 1 повторяется до тех пор, пока изменение удельного расхода топлива не станет меньше, чем заданная величина ошибки. Таким образом, контроллер обучения 15 определил частоту вращения вала ДВС 1, при которой удельный расход топлива минимальный для данного значения мощности нагрузки и данных значений давления, температуры и влажности окружающего воздуха. После этого контроллер обучения 15 для данных значений давления, температуры и влажности окружающего воздуха формирует новую логическую пару "мощность нагрузки – оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1" и производит "дообучение" блока 16 ассоциативной памяти.
С помощью сумматора сигналов 11 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, поступающего с контроллера управления 14, и сигнала датчика 10 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора сигналов 11 поступает на вход регулятора 9 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном контроллером управления 14.
Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 8, 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 синхронного генератора 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на выходных выводах 8 на уровне номинального значения для синхронного генератора 2 осуществляется следующим образом.
Управляемый выпрямитель 3 преобразует переменное напряжение статора синхронного генератора 2 в постоянное напряжение заданной величины. Стабилизация выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 23 стабилизации напряжения, в состав которого входит  регулятор напряжения 26, вход которого подключен к сумматору сигналов 25, на входы которого поступают сигналы с задатчика напряжения 24 и с датчика напряжения 27. Для сглаживания выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на его выходе включена конденсаторная батарея 4, которая необходима также для работы инвертора напряжения 6. Кроме того, конденсаторная батарея 4 является накопителем энергии и компенсирует пики и провалы энергии в динамических режимах. Выходное напряжение управляемого выпрямителя 3 преобразуется с помощью инвертора 6 в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе управляемого выпрямителя 3.
При изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения частота вращения вала ДВС 1, а, следовательно, и амплитуда напряжения синхронного генератора 2 будут меняться в широком диапазоне. При этом выходное напряжение управляемого выпрямителя 3, а значит и амплитуда переменного напряжения на выходных выводах 8, будут меняться в широком диапазоне и будут меньше номинального значения напряжения статора синхронного генератора 2. Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 8 до уровня номинального напряжения синхронного генератора 2 на выходе инвертора напряжения 6 включен повышающий трансформатор 7. Задавая с помощью задатчика напряжения 24 величину выходного напряжения управляемого выпрямителя 3, равной отношению амплитуды номинального напряжения статора синхронного генератора 2 к коэффициенту трансформации повышающего трансформатора 7, на выходных выводах 8 получим переменное напряжение, амплитуда которого равна номинальному значению для синхронного генератора 2. Блок 21 возбуждения синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 22 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения синхронного генератора 2  с учетом сигнала от блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС и от датчика напряжения 27. Таким образом, при изменении частоты вращения вала ДВС 1 на выходных выводах 8 поддерживается амплитуда переменного напряжения на уровне номинального значения для статора синхронного генератора 2.
Частота выходного напряжения на выходных выводах 8 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора напряжения 6 на уровне, задаваемом задатчиком 29 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.