ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
POWER PLANT OPERATING ON FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах и может использоваться при разработке автономных, резервных и транспортных энергоустановок.
Известно устройство для запуска генератора на топливных элементах для транспортного средства (патент США 6815100, МПК H01M 8/00, 04.06.2001), содержащее генератор на топливных элементах, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, датчики напряжения и тока, инвертор и управляющий блок. Недостаток устройства заключается в большом числе преобразователей, требующихся для совместной работы генератора и блока аккумуляторных батарей, а также необходимость постоянного питания управляющего блока от аккумуляторных батарей.
Известна энергоустановка на топливных элементах (патент США 2006/0280977, МПК H01M 8/04, 14.12.2006), включающая в себя генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, подключенный к системе автоматического управления и контроля, аккумуляторную батарею, зарядное устройство, выполненное на преобразователе DC-DC, и коммутационные элементы. Недостатком энергоустановки является необходимость постоянной работы аккумуляторной батареи на весь период функционирования энергоустановки, что предъявляет к батарее повышенные требования по энергоемкости, увеличивает ее габариты, вес и стоимость. Кроме того, в момент переключения питания инвертора от батареи на генератор возникают перерывы и скачки напряжения на его выходе.
За прототип взята энергоустановка на топливных элементах (патент России 2382445, МПК H01M 8/04, 20.02.2010), содержащая генератор на топливных элементах, инвертор, датчик выходного напряжения генератора, систему автоматического управления и контроля, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, три контактора, два развязывающих диода в виде диодов Шоттки, управляемые коммутационные элементы, кнопку включения энергоустановки, потребители собственных нужд и внешнюю нагрузку. В энергоустановке достигается экономное расходование энергии-блока аккумуляторных батарей и обеспечивается «мягкий» (без перерывов и скачков напряжения) переход питания инвертора от блока аккумуляторных батарей на генератор топливных элементов и обратно, что повышает надежность работы всех потребителей энергоустановки.
Недостаток прототипа заключается в потерях мощности, возникающих в рабочем режиме на развязывающем диоде, соединяющем выход генератора на топливных элементах с входом инвертора. Несмотря на использование в качестве развязывающего диода - диода Шоттки, обладающего по сравнению с обычным выпрямительным диодом пониженным падением напряжения в прямом направлении, теряемая на нем в рабочем режиме мощность достигает 0,5-1,0% от мощности энергоустановки. Это, во-первых, снижает КПД установки в целом, а, во-вторых, требует применения теплоотвода мощности, выделяющейся на диоде, что усложняет конструкцию установки и снижает ее надежность. Указанный недостаток проявляется тем сильнее, чем выше мощность энергоустановки.
Предлагаемая энергоустановка позволяет полностью исключить потери мощности на развязывающих диодах в рабочем режиме.
Энергоустановка, представленная на чертеже, содержит генератор на топливных элементах 1 и блок аккумуляторных батарей 2, связанные через разомкнутые контакты 3, 4 первого и второго контакторов 5, 6 и разделительные диоды 7, 8 с входом инвертора 9. Выход инвертора 9 через разомкнутые контакты 10 третьего контактора 11 соединен с внешней нагрузкой 12 и непосредственно с цепями из последовательно соединенных катушки первого контактора 5 и первого управляемого коммутационного элемента на замыкание 13, катушки третьего контактора 11 и второго управляемого коммутационного элемента на замыкание 14. Блок 2 связан с цепью из последовательно включенных катушки контактора 6 и параллельно-последовательно соединенных кнопки включения 15 энергоустановки, вспомогательного контакта 16 контактора 6, третьего управляемого коммутационного элемента на замыкание 17 и управляемого коммутационного элемента на размыкание 18. Выход инвертора 9 связан также с потребителями собственных нужд 19, с входом зарядного устройства 20 и с питающим входом системы автоматического управления и контроля 21, к информационному входу которой подключен датчик 22 выходного напряжения генератора 1, а к управляющим выходам - управляющие входы коммутационных элементов 13, 14, 17, 18 и потребителей 19. Выход зарядного устройства 20 через замкнутые контакты 23 контактора 6 соединен с блоком 2. Контактор 11 снабжен дополнительным силовым контактом 24, подсоединенным параллельно первому развязывающему диоду 7.
Энергоустановка работает следующим образом.
В режиме ввода энергоустановки из холодного состояния в рабочее кратковременно замыкается кнопка 15. При этом срабатывает и самоблокируется через собственный контакт 16 контактор 6. Через замкнувшиеся основные контакты 4 контактора 6 и диод 8 блок аккумуляторных батарей 2 подключается к входу инвертора 9, на выходе которого появляется переменное напряжение 220 В 50 Гц. Одновременно с этим контактами 23 блок 2 отключается от выхода зарядного устройства 20. Выходное напряжение инвертора 9 поступает на питающий вход системы автоматического управления и контроля 21, на зарядное устройство 20, на потребители собственных нужд 19 энергоустановки и через коммутационные элементы 13, 14 на управляющие катушки контакторов 5, 11. После этого система 21, управляя в соответствии с заданным алгоритмом потребителями собственных нужд 19, осуществляет подготовку перевода энергоустановки из холодного состояния в рабочее.
При появлении на выходе генератора 1 напряжения заданной величины датчик 22 информирует систему 21 о готовности энергоустановки к переводу в рабочее состояние. Система 21 замыкает элемент 13, запитывая катушку контактора 5. Через замкнувшиеся контакты 3 контактора 5 напряжение генератора 1 прикладывается к аноду диода 7. Затем система 21 кратковременно размыкает элемент 18, вызывая выключение контактора 6. При этом блок 2 контактами 4 отключается от входа инвертора 9, а контактами 23 подключается к выходу зарядного устройства 20, обеспечивающего его подзаряд. Переход к питанию энергоустановки от генератора 1 осуществляется без перерывов и скачков напряжения на выходе инвертора 9. С учетом того, что расходуемая в этих режимах потребителями собственных нужд мощность невелика - 5-7% от номинальной мощности энергоустановки и длительность перевода ее из холодного состояния в рабочее составляет величину менее получаса, энергия, рассеиваемая на диодах 7, 8, пренебрежимо мала по сравнению с полной мощностью энергоустановки.
Для подключения внешней нагрузки 12 система 21 замыкает элемент 14, вызывая срабатывание контактора 11 и замыкание его контактов 10 и дополнительного силового контакта 24, шунтирующего диод 7. В результате резко возросший входной ток инвертора 9 минует диод 7, не вызывая его перегрева и не приводя к существенным потерям мощности.
При выводе энергоустановки из рабочего состояния система 21 размыкает элемент 14, обесточивая контактор 11, отключающий контактами 10 нагрузку 12 и размыкающий контакт 24. После этого система 21 кратковременно замыкает элемент 17, запитывающий контактор 6, который, в свою очередь, осуществляет повторное подключение блока 2 к входу инвертора 9. Затем система 21 с помощью элемента 13 обесточивает контактор 5, который контактами 3 отключает генератор 1 от входа инвертора 9. По заданному алгоритму система 21 осуществляет постепенный вывод энергоустановки из рабочего состояния в холодное. По окончании вывода система 21 кратковременным размыканием элемента 18 отключает контактор 6 и полностью обесточивает энергоустановку.
С учетом того, что диоды 7, 8 работают только в режиме перевода энергоустановки из холодного состояния в рабочее и обратно, характеризующегося относительно малыми токами и продолжительностью, возможно применение обычных широко распространенных выпрямительных диодов, имеющих более низкую стоимость при более высоких значениях предельных токов и напряжений, чем диоды Шоттки.
Таким образом, предлагаемое устройство снижает потери мощности, повышает КПД энергоустановки, облегчает режим эксплуатации входящих в ее состав разделительных диодов при сохранении экономного расходования энергии блока аккумуляторных батарей и обеспечении поддержания качественного напряжения на выходе энергоустановки при ее переходе из одного режима в другой. Также упрощается конструкция устройства и повышается надежность его эксплуатации.