АВТОНОМНАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к генераторным установкам на базе двигателей внутреннего сгорания и синхронных генераторов на постоянных магнитах, используемым для выработки электроэнергии на автономных объектах электроснабжения.
Из современного уровня техники известна автономная электростанция переменного тока [RU 2412513 С1, МПК H02J 3/34 (2006.01), опубликованная 20.02.2011], содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с переменной скоростью вращения, синхронный генератор, преобразователь частоты, включающий управляемый выпрямитель, конденсаторную батарею, датчик тока, инвертор напряжения, к которому подключен повышающий трансформатор с выходными выводами. К ДВС подключен блок формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, содержащий регулятор частоты вращения вала ДВС, датчик частоты вращения вала ДВС, к которому подключен сумматор сигналов, связанный с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС и с регулятором частоты вращения вала ДВС, подключенным к ДВС. Блок возбуждения синхронного генератора подключен к блоку питания и соединен с обмоткой возбуждения синхронного генератора, с выходами блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС. Блок стабилизации напряжения, состоящий из задатчика напряжения, сумматора сигналов и регулятора напряжения, подключен к управляемому выпрямителю и соединен с выходом датчика напряжения, с которым соединен блок возбуждения синхронного генератора. Вход блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС соединен с блоком вычисления мощности нагрузки, который подключен к выходам датчика напряжения и датчика тока. Выход задатчика частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения.
Данное устройство имеет низкий коэффициент полезного действия, за счет больших потерь на возбуждение, ввиду использования синхронного генератора с электромагнитным возбуждением.
Известна дизель-генераторная установка [RU 2015119508/07, опубликованная 10.09.2016 г.], выбранная в качестве прототипа, содержащая дизельный двигатель с переменной скоростью вращения, к которому подключен синхронный генератор, связанный с выпрямителем, а также автономный инвертор, в качестве синхронного генератора использован синхронный генератор на постоянных магнитах, к дизельному двигателю подключен датчик скорости вращения вала дизельного двигателя, соединенный с блоком задания экономичной скорости вращения, параллельно выпрямителю подключены фильтр, конвертор и датчик мощности, причем информационные выводы датчика мощности связаны с блоком задания экономичной скорости вращения и с блоком управления зарядом и разрядом аккумуляторной батареи, который подключен к конвертору, соединенному с аккумуляторной батареей, а блок задания экономичной скорости вращения подключен к сервоприводу, связанному с дизельным двигателем, при этом электрические выводы датчика мощности соединены с автономным инвертором, к которому подключена электрическая нагрузка переменного тока, к которой подсоединен датчик напряжения, связанный с блоком управления инвертором, подключенным к автономному инвертору.
Недостатком данного устройства является невозможность поддержания выходного напряжения в заданном диапазоне при изменении скорости вращения вала двигателя и ротора синхронного генератора в широком диапазоне для поддержания минимального удельного расхода топлива.
Задача полезной модели - поддержание выходного напряжения синхронного генератора на постоянных магнитах автономной генераторной установки с регулируемой скоростью вращения в требуемых границах, при изменении скорости вращения и нагрузки в широком диапазоне.
Поставленная задача решается тем, что в автономную генераторную установку, содержащую двигатель внутреннего сгорания с переменной скоростью вращения, к которому последовательно подключены датчик скорости вращения и синхронный генератор на постоянных магнитах, введен блок стабилизации, выход которого соединен с накопителем энергии и входом инвертора, выход которого, через датчики тока и напряжения, соединен с нагрузкой, при этом информационные выходы датчиков тока, напряжения и скорости вращения подключены к входам блока управления автономной генераторной установкой, выход блока управления автономной генераторной установкой последовательно соединен с регулятором подачи топлива и двигателем внутреннего сгорания.
Использование синхронного генератора на постоянных магнитах и использование блока стабилизации позволяет поддерживать выходное напряжение синхронного генератора на постоянных магнитах в пределах требуемых значений при условии правильного подбора синхронного генератора и скорости его вращения, что выгодно отличает предлагаемую полезную модель от прототипа.
На фиг. 1 представлена функциональная схема автономной генераторной установки, где:
1 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС);
2 - датчик скорости вращения (ДСВ);
3 - синхронный генератор на постоянных магнитах комбинированного возбуждения (СГПМ);
4 - блок стабилизации (БС);
5 - накопитель энергии (НЭ);
6 - инвертор (И);
7 - датчик тока (ДТ);
8 - датчик напряжения (ДН);
9 - нагрузка (Н);
10 - регулятор подачи топлива (РПТ);
11 - блок управления автономной генераторной установки (БУАГУ).
В автономной генераторной установке двигатель внутреннего сгорания 1 с переменной скоростью вращения, к которому последовательно подключены датчик скорости вращения 2 и синхронный генератор на постоянных магнитах 3, связанный с входом блока стабилизации 4, выход которого связан с накопителем энергии 5 и входом инвертора 6, выход которого, через датчики тока 7 и напряжения 8, соединен с нагрузкой 9, при этом информационные выходы датчиков тока 7, напряжения 8 и скорости вращения 2 подключены к входам блока управления автономной генераторной установкой 11, выход которого последовательно соединен с регулятором подачи топлива 10 и двигателем внутреннего сгорания 1.
В качестве двигателя внутреннего сгорания 1 может быть использован любой двигатель, который работает за счет сгорания топлива. В качестве блока стабилизации 4 могут использоваться как управляемые выпрямители, так и не управляемые выпрямители с ограничителем напряжения в комбинации с фильтром. Накопитель энергии с блоком управления накопителем 5 представляет собой суперконденсатор, аккумуляторную батарею или их комбинацию, емкость которого подбирается и необходимого времени регулирования. В качестве инвертора 6 может быть выбран любой автономный трехфазный инвертор, подходящий по мощности и форме выходного напряжения. Датчиками скорости вращения 2, тока 7 и напряжения 8 могут быть любые датчики соответственно, которые конструктивно и параметрически подойдут для синтеза в структуру автономного источника питания. Конструкция регулятора подачи топлива 10 зависит от вида топливной системы двигателя внутреннего сгорания. В качестве основы блока управления автономной генераторной установки 11 может быть использован микроконтроллер.
Устройство работает следующим образом. При изменении нагрузки 9 происходит изменение скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1 и изменение напряжения на выходе СГПМ 3. Как следствие происходит изменение напряжения и тока на выходе инвертора 6. Датчики тока 7, напряжения 8 и скорости вращения 2 измеряют и передают данные о параметрах тока, напряжения и скорости вращения в блок управления автономной генераторной установкой 11, который принимает информацию с датчиков 2, 7, 8, обрабатывает ее, вычисляет значения потребляемой мощности, оптимальную скорость вращения для этой мощности и подает управляющее воздействие в регулятор подачи топлива 10, при этом становится возможно регулирование скорости вращения вала ДВС 1 в широком диапазоне. Регулятор подачи топлива 10 в зависимости от управляющего сигнала с блока управления автономной генераторной установки 11 увеличивает или уменьшает количество подаваемой топливной смеси. Блок стабилизации 4 обеспечивает коррекцию напряжения до требуемого уровня и его выпрямление. При резком изменении нагрузки накопитель энергии 5 компенсирует скачки напряжения на время регулирования скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1, а в установившемся режиме накапливает электроэнергию и сглаживает пульсации напряжения.
Технический результат - стабилизация выходного напряжения синхронного генератора на постоянных магнитах, при широком диапазоне регулирования скорости вращения двигателя внутреннего сгорания и синхронного генератора на постоянных магнитах, по критерию минимума расхода топлива в зависимости от нагрузки.