УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предложенное техническое решение относится к области электротехники, а именно к устройствам для генерации переменного тока, и может быть использовано при создании стационарных и передвижных электростанций, а также компаниями, владеющими автономными электростанциями и сдающими их в аренду для эксплуатации в буровой промышленности, на удаленных объектах без постоянного сетевого электроснабжения, и другими потребителями, эксплуатирующими автономные электростанции в постоянном режиме электрогенерации.
Известно устройство для генерации переменного тока, содержащее кинематически соединенный с приводом вращения, электрогенератор, в котором стабильность значений частоты обеспечивается приводом вращения, а постоянство выходного напряжения генерируемого переменного тока, поддерживается регулировкой величины магнитного поля, возбуждаемого между обмотками статора и ротора электрогенератора.
(см. Патент США №7068015, H02P 9/04, 2006 г.)
Недостаток этого устройства заключается в неэкономном расходе энергии приводом вращения ротора, из-за отсутствия средств, связывающих частоту вращения ротора с выходными параметрами генерируемого тока.
Это недостаток преодолен в другом известном устройстве для генерации переменного тока, содержащем, генератор переменного тока, включающий полый статор и, установленный в нем ротор с электропроводящими обмотками на каждом из них, двигатель, кинематически соединенный с ротором с возможностью его вращения, средства управления параметрами генерируемого переменного тока, включающие программируемый блок управления и электрически соединенный с ним управляемый источник постоянного тока.
(см. Патент США №8368236 кл. H02P 9/04, 2009 г.)
Данное устройство наиболее близко к предложенному по технической сущности и достигаемому результату и, поэтому, принято в качестве его ближайшего аналога.
В этом устройстве средство для подачи тока возбуждения на обмотку ротора генератора выполнено, в виде обращенного вспомогательного генератора с вращающимся выпрямителем. При этом значения скорости вращения вала ротора, измеряемой тахометром, в виде соответствующих сигналов, подаются на блок управления, который, по установленной в нем программе, изменяет силу генерируемого тока при постоянном уровне значений частоты и выходного напряжения.
Недостаток этого устройства заключается в отсутствии возможности регулирования расхода топлива, в условиях меняющихся значений потребляемой мощности электрического тока и качественных параметров топлива.
Задача разработки состоит в оптимизации расхода топлива, необходимого для работы устройства для генерации переменного тока.
Эта задача решается за счет того, что в устройстве для генерации переменного тока, содержащем, генератор переменного тока, включающий полый статор и, установленный в нем ротор с электропроводящими обмотками на каждом из них, двигатель, кинематически соединенный с ротором с возможностью его вращения, средства управления параметрами генерируемого переменного тока, включающие программируемый блок управления и электрически соединенный с ним управляемый источник постоянного тока, двигатель оснащен электрорегулируемым вентилем подачи топлива, в качестве генератора переменного тока используют синхронную машину с независимым возбуждением, обмотки статора которой соединены со статическим преобразователем частоты, а обмотки ротора - с управляемым источником постоянного тока, в число средств управления параметрами переменного тока дополнительно включены расходомер топлива и блок измерения выходных значений напряжения и мощности, с возможностью подачи сигналов о значении измеряемых ими величин в программируемый блок управления, который соединен с электрорегулируемым вентилем подачи топлива.
Наличие в устройстве обратной связи между средствами управления параметрами генерируемой электроэнергии и средствами регулируемой подачи топлива в двигатель, позволяет регулировать частоту оборотов двигателя и экономить топливо, независимо от его качества, в условиях, когда реальная нагрузка понижается ниже номинальной мощности электрогенератора, поддерживая, в то же время, постоянное напряжение (220 В, 380 В или другое) и частоту (50/60 Гц).
На рис. 1 представлен пример выполнения устройства.
Устройство для генерации переменного тока, содержит, генератор переменного тока 1, в виде синхронной машины с независимым возбуждением, включающей, полый статор 2 и установленный в нем ротор 3 с электропроводящими обмотками на каждом из них, двигатель 4, кинематически соединенный с ротором с возможностью его вращения, средства управления параметрами генерируемого переменного тока, включающие программируемый блок управления 5 и электрически соединенный с ним управляемый источник постоянного тока 6, двигатель оснащен электрорегулируемым вентилем 7 подачи топлива, обмотки статора генератора соединены со статическим преобразователем частоты 8, а обмотки ротора - с управляемым источником постоянного тока, в число средств управления параметрами переменного тока включены расходомер 9 топлива и блок измерения 10 выходных значений напряжения и мощности, с возможностью подачи сигналов о значении измеряемых ими величин в программируемый блок управления, который соединен с электрорегулируемым вентилем подачи топлива.
Устройство работает следующим образом.
Топливо подается в двигатель 4 с использованием электрорегулируемого вентиля 7. Вращающий момент от двигателя передается на ротор 3 генератора 1 переменного тока, вследствие чего ротор вращается. Одновременно, с помощью управляемого источника постоянного тока 6, ток подается на обмотку ротора генератора. В результате на обмотках статора 2 генерируется трехфазный переменный ток. Далее этот ток при помощи статического преобразователя частоты 8 преобразуется в ток с постоянной стабилизированной частотой необходимой для потребителя электроэнергии. Сигнал о потребляемой внешним электрооборудованием мощности от блока измерения 10 выходных значений напряжения и мощности подается на программируемый блок управления 5. Блок управления по заложенному в его программу алгоритму вычисляет оптимальную скорость вращения ротора двигателя для текущего потребления мощности и посылает сигнал на электрорегулируемый вентиль подачи топлива в двигатель. В случае уменьшения потребляемой мощности количество подаваемого топлива также уменьшается, в результате чего снижается и скорость вращения ротора генератора, кинематически соединенного с двигателем. Для обеспечения поддержания постоянного значения выходного напряжения генератора, несмотря на снижение скорости вращения ротора, блок управления вычисляет необходимый ток возбуждения генератора и подает соответствующий сигнал на источник постоянного тока. Далее статический преобразователь частоты 8 преобразует напряжение генератора с изменяющейся частотой в необходимое потребителю напряжение с постоянной фиксированной частотой. Количество топлива, подаваемого в двигатель, регистрируется расходомером 9, сигнал от которого постоянно передается на блок управления. Этот сигнал является тестовым, то есть его назначение состоит в том, чтобы установить, насколько отклонение качества топлива от стандартных параметров влияет на выходные показатели работы генератора, поскольку в случае изменения качественных характеристик топлива, например, при наличии в нем избыточного содержания примесей, запрограммированное соответствие между нормированными показателями расхода данного топлива двигателем и значениями тока возбуждения нарушается. Программа блока управления сопоставляет значение этого сигнала с соответствующей расходу данного вида топлива величиной тока, подаваемого блоком управления на управляемый источник постоянного тока, и, путем передачи сигнала от блока управления на электроуправляемый вентиль, корректирует расход топлива так, чтобы восстановить соответствие между заданными программой показателями расхода топлива, частоты и напряжения, генерируемого переменного тока. Таким образом, блок управления в непрерывном режиме регулирует стабильность показателей вырабатываемой электроэнергии при минимальном расходе топлива.
Использование предложенного устройства позволяет понижать расход топлива двигателя (дизельное топливо, керосин, бензин, природный газ и др.) до 40% в зависимости от профиля реальной нагрузки, а также упростить эксплуатацию изделия за счет снижения частоты технических обслуживаний и ремонтов оборудования и, соответственно, увеличивать общий срок службы устройства.