Система электродвижения автономного объекта
AUTONOMOUS OBJECT ELECTROMOTIVE SYSTEM

Изобретение относится к системам электродвижения переменного тока автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (дизельных, бензиновых или газовых) и генераторов переменного тока (синхронных или асинхронных), и предназначено для питания тягового (гребного) электродвигателя переменного тока (синхронного или асинхронного), работающего с переменной частотой вращения, а также для обеспечения потребителей бортовой сети автономного объекта электроэнергией со стабилизированными параметрами частоты и амплитуды переменного напряжения, или стабилизированным постоянным напряжением, и может быть использовано в автомобилестроении, локомотивостроении, судостроении.
Известна система электродвижения автономного объекта, содержащая синхронный генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение первичным двигателем (ДВС), и асинхронные двигатели, подключенные к генератору (авторское свидетельство СССР № 691320, кл. В 60 L 11/08, 1976). Недостатком данной системы является ступенчатое регулирование частоты вращения асинхронных двигателей и низкий КПД (высокое потребление топлива) вследствие того, что первичный двигатель (ДВС) при разных нагрузках работает с постоянной частотой вращения.
Также известна система электродвижения автономного объекта (Патент РФ № 2093378. МПК B60L 11/08, 1995), содержащая генератор переменного тока, ротор которого, несущий обмотку возбуждения, кинематически связан с первичным двигателем(ДВС), трехфазный электродвигатель переменного тока, статорные обмотки которого подключены через преобразователь частоты к статорным обмоткам генератора переменного тока. Данное устройство позволяет плавно регулировать частоту вращения электродвигателя. Недостатком устройства является низкий КПД (высокое потребление топлива) вследствие того, что ДВС при разных нагрузках работает с постоянной частотой вращения.
Наиболее близким по техническому решению является система электродвижения автономного объекта (Патент РФ на изобретение № № 2436691, опубл. бюл. № 35, 2011 г.), содержащая последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, генератор переменного тока, преобразователь частоты, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, тяговый электродвигатель переменного тока; к выходу генератора переменного тока подключены последовательно соединенные преобразователь частоты, датчик тока, выход которого соединен с блоком вычисления мощности нагрузки.
Недостатком устройства является  то, что во всем диапазоне  мощностей нагрузки - от нуля до номинального значения - электроэнергия, вырабатываемая генератором переменного тока, преобразуется с помощью преобразователей частоты. Известно, что существенная экономия топлива автономной электростанции переменного тока на основе ДВС переменной частоты вращения достигается при мощности нагрузки меньшей некоторого значения, которое зависит от типа ДВС и примерно равно половине от номинального значения [Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Самоявчев И.С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения. Сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта», № 1/2013, ГМА им. адмирала С.О. Макарова, С.-Петербург, 2013. – с.61-66]. Поэтому, если нагрузка электростанции превышает это значение, целесообразно переводить ДВС в режим работы с постоянной (номинальной) частотой вращения и шунтировать преобразователи частоты с помощью контакторов.
Техническим результатом изобретения является снижение установленной мощности преобразователей частоты системы электродвижения автономного объекта.
Этот технический результат достигается тем, что в системе электродвижения автономного объекта, содержащей последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, генератор переменного тока, преобразователь частоты, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, тяговый электродвигатель переменного тока; к выходу генератора переменного тока подключены последовательно соединенные преобразователь частоты, датчик тока, выход которого соединен с блоком вычисления мощности нагрузки, между входами и выходами преобразователей частоты включены контакторы, соединенные с блоком системы управления контакторами, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока формирования  оптимальной частоты вращения вала ДВС.
Подключение между входами и выходами преобразователей частоты контакторов, соединенных с блоком системы управления контакторами, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как позволяет существенно снизить установленную мощность преобразователей частоты. Следовательно, снижается установленная мощность оборудования системы электродвижения автономного объекта  в целом.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана функциональная схема устройства.
Система электродвижения автономного объекта содержит последовательно соединенные ДВС 1 переменной частоты вращения, генератор 2 переменного тока, преобразователь частоты 3, датчик тока 4, тяговый (гребной) электродвигатель 5 переменного тока, гребной винт (колесо или колесную пару) 6; к выходу генератора 2 переменного тока также подключены последовательно соединенные преобразователь частоты 7, датчик тока 8, выходные выводы 9. К входу ДВС 1 подключен блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, содержащий датчик 11 частоты вращения вала ДВС 1, сумматор сигналов 12, регулятор 13 частоты вращения вала ДВС 1, блок 14 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, к входу которого подключен блок 15 вычисления мощности нагрузки, соединенный с выходами датчиков тока 4,8 и датчиков напряжения 16,17 на выходе преобразователей частоты 3,7. К входам преобразователей частоты 3,7 подключены блоки 18,19 стабилизации амплитуды напряжения. Блок 18 стабилизации амплитуды напряжения, состоящий из регулятора напряжения 20, сумматора сигналов 21 и задатчика 22 амплитуды напряжения, соединен с выходом датчика напряжения 16 и выходом задатчика 23 частоты вращения электродвигателя 5, входящего в состав блока 24 стабилизации частоты вращения электродвигателя 5, в состав которого также входят регулятор 25 частоты вращения электродвигателя 5 и сумматор сигналов 26. На вход блока 24 стабилизации частоты вращения поступает сигнал с датчика частоты вращения 27 гребного (тягового) электродвигателя 5 переменного тока. Выход регулятора частоты вращения 25 подключен к входу преобразователя частоты 3. Блок 19 стабилизации амплитуды напряжения состоит из задатчика 28 амплитуды напряжения, сумматора сигналов 29 и регулятора напряжения 30. Вход блока 19 стабилизации напряжения подключен к выходу датчика напряжения 17. Выход задатчика 31 частоты выходного напряжения соединен с преобразователем частоты 7.
Контактор 32 включен между входом и выходом преобразователя частоты 3, а контактор 33 – между входом и выходом преобразователя частоты 7. Контакторы 32 и 33 соединены с системой управления контакторами 34, которая также соединена с блоком 15 вычисления мощности нагрузки и блоком 14 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, входящим в состав блока 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС.
Устройство работает следующим образом.
Блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 получает сигнал с блока вычисления мощности нагрузки 15, который соединен с выходами датчиков тока 4,8 и датчиков напряжения 16,17 на выходе преобразователей частоты 3,7.  В зависимости от значения мощности нагрузки блок 14 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. С помощью сумматора сигналов 12 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 14 и сигнала датчика 11 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора 12 поступает на вход регулятора 13 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 14. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 9, и при изменении частоты вращения гребного винта (колеса или колесной пары) 6, а, следовательно, и мощности, потребляемой тяговым (гребным) электродвигателем 5, 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 частоты вращения гребного винта (колеса или колесной пары) 6 и мощности нагрузки на выходных выводах 9, то амплитуда и частота напряжения генератора переменного тока 2 будут также изменяться.
Для вращения гребного винта (колеса или колесной пары) 6 с требуемой частотой вращения необходимо поддерживать на определенном уровне частоту и амплитуду выходного синусоидального напряжения преобразователя частоты 3, питающего электродвигатель 5.
Стабилизация амплитуды и частоты переменного напряжения на входе электродвигателя 5 в зависимости от заданной частоты его вращения осуществляется следующим образом. Преобразователь частоты 3, питающий электродвигатель 5, преобразует выходное напряжение генератора 2 переменной амплитуды и частоты в переменное напряжение заданной амплитуды и частоты. На вход преобразователя частоты 3, питающего электродвигатель 5, поступает сигнал от блока 18 стабилизации напряжения, в состав которого входит сумматор сигналов 21, с помощью которого вычисляется разность сигналов от задатчика 22 амплитуды напряжения  и датчика напряжения 16, установленного на выходе преобразователя частоты 3. Сигнал от сумматора 21 поступает на вход регулятора напряжения 20, который поддерживает на выходе преобразователя частоты 3 амплитуду переменного напряжения на уровне, задаваемом задатчиком 22 амплитуды напряжения, который вычисляет задание на амплитуду выходного напряжения преобразователя частоты 3 в зависимости от сигнала, поступающего на его вход с задатчика 23 частоты вращения электродвигателя 5.
На вход преобразователя частоты 3 поступает сигнал от блока 24 стабилизации частоты вращения электродвигателя 5, в состав которого входит сумматор сигналов 26, вычисляющий разность сигналов от задатчика 23 частоты вращения электродвигателя 5 и датчика частоты вращения 27 электродвигателя 5. Сигнал от сумматора 26 поступает на вход регулятора 25 частоты вращения, который поддерживает на выходе преобразователя частоты 3 частоту переменного напряжения на уровне, задаваемом задатчиком 23 частоты вращения  электродвигателя 5.
Стабилизация амплитуды и частоты напряжения на выходных выводах 9, к которым подключаются потребители бортовой сети автономного объекта,  на заданном уровне осуществляется следующим образом. Преобразователь частоты 7 преобразует выходное напряжение генератора 2 переменного тока в переменное напряжение с заданными параметрами амплитуды и частоты, либо в постоянное напряжение заданного уровня. На вход преобразователя частоты 7 поступает сигнал от блока 19 стабилизации амплитуды напряжения, в состав которого входит сумматор сигналов 29, с помощью которого вычисляется разность сигналов от задатчика 28 амплитуды напряжения  и датчика напряжения 17 на выходе преобразователя частоты 7. Сигнал от сумматора 29 поступает на вход регулятора напряжения 30, который поддерживает на выходных выводах 9 амплитуду переменного напряжения или значение постоянного напряжения на уровне, задаваемом задатчиком 28 амплитуды напряжения.
Частота выходного напряжения на выходных выводах 9 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью преобразователя частоты 7 на уровне, задаваемом блоком 31 задатчика частоты выходного напряжения. В частном случае, частота напряжения на выходных выводах 9 может быть равна нулю. При этом на выходных выводах 9 формируется постоянное напряжение, значение которого стабилизируется на уровне, определяемом задатчиком 28 амплитуды напряжения.
В режиме работы системы электродвижения автономного объекта с переменной частотой вращения вала ДВС контакторы 32 и 33 разомкнуты.
Система электродвижения автономного объекта в режиме с постоянной (номинальной)  частотой вращения вала ДВС работает следующим образом.
Если мощность нагрузки превышает заданное значение, система 34 управления контакторами 32 и 33, вход которой соединен с выходом блока 15 вычисления мощности нагрузки, формирует управляющие сигналы, в соответствии с которыми контакторы 32 и 33 замыкаются и тем самым шунтируют преобразователи частоты 3 и 7.
Управляющий сигнал с выхода системы 34 управления контакторами поступает также на вход блока 14 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, который формирует на входе сумматора сигналов 12 номинальное значение частоты вращения вала ДВС 1.
Таким образом, ДВС 1 при мощности нагрузки, превышающей заданное в системе управления контакторами 34 значение, работает с постоянной (номинальной) частотой вращения.
По данным научно-технической и патентной  литературы автору не известна 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.