Автономный источник электропитания стабильной частоты (варианты)

Автономный источник электронитания стабильной частоты
(варианты)
Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным источникамэлектропитания, вырабатывающим
электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной скорости вращения первичного теплового двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания. Такие источники находят применение, например, для автономного или резервного питания потребителей электроэнергии в тех районах, где централизованное электропитание отсутствует или недостаточно надёжно.
Уровень техники
Известен автономный источник электропитания стабильной частоты, выполненный на базе первичного двигателя и синхронного генератора, в котором стабилизация частоты тока генератора достигается стабилизацией скорости вращения первичного дизельного двигателя 1. Недостатком устройства 1 является повыщенный расход топлива, высокий уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, повышенная степень закоксовывания дизельного двигателя.
Известен автономный источник электропитания стабильной частоты, выполненный на базе первичного двигателя с переменной скоростью вращения и дифференциального редуктора 2, на одном из выходных валов которого установлен синхронный генератор. В устройстве 2 стабилизация частоты тока синхронного генератора обеспечивается стабилизацией скорости вращения его вала, что в свою очередь осуществляется
МПК H02J 3/00, 3/46
изменением моментов на выходных валах дифференциального редуктора с помощью установленных на этих валах вспомогательного синхронного генератора и синхронного двигателя. Недостатки устройства 2 - плохие массогабаритные показатели, невысокое быстродействие, а также повышенный расход топлива, связанный с неоптимальным изменением скорости вращения первичного двигателя в процессе стабилизации частоты тока генератора.
Известен выбранный в качестве прототипа автономный источник электропитания стабильной частоты 3.
Он содержит первичный двигатель с переменной скоростью вращения, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора, и систему управления.
Стабилизация частоты и напряжения автономного источника при нестабилизированной скорости вращения первичного двигателя в прототипе обеспечивается соответствующими воздействиями системы управления на преобразователь частоты и на синхронный генератор. Для этого система управления прототипа снабжена датчиками напряжения и частоты автономного источника и подключена выходами к управляющему входу преобразователя частоты и к регулятору напряжения синхронного генератора.
Вместо синхронного генератора с преобразователем частоты на выходе может быть эквивалентно применена машина двойного питания с преобразователем частоты на входе. В этом случае преобразователь частоты подключается выходом к её ротору, входом - к выходу вспомогательного генератора, установленного на том же валу, или непосредственно к выходу (статору) машины двойного питания, а система управления воздействует только на преобразователь частоты.
Недостаток прототипа - невысокая устойчивость к переходным процессам, вызванным коммутацией нагрузки, и повышенный расход топлива первичным двигателем.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - снизить расход топлива и повысить устойчивость работы автономного источника путём оптимального регулирования скорости вращения первичного двигателя в статических и динамических режимах работы.
Предметом полезной модели (в первом варианте её реализации) является автономный источник электропитания стабильной частоты, содержащий первичный двигатель с переменной скоростью вращения, снабжённый её регулятором, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора, и микропроцессорную систему управления, подключённую выходом к регулятору скорости вращения первичного двигателя и снабжённую датчиками выходного напряжения и мопщости автономного источника.
Предметом полезной модели (во втором варианте) является, автономный источник электропитания стабильной частоты, содержащий первичный двигатель с переменной скоростью вращения, снабжённый её регулятором, электрическую мащину двойного питания, к ротору которой подключён выход преобразователя частоты, и микропроцессорную систему управления, снабжённую установленными на валу первичного двигателя датчиком скорости вращения, датчиками выходной частоты, напряжения и мопщости автономного источника и подключённую первым выходом к регулятору скорости вращения первичного двигателя, а вторым выходом - к управляющему входу преобразователя частоты.
Совокупность признаков каждого из вариантов полезной модели позволяет снизить расход топлива и повысить устойчивость работы автономного источника путём оптимального регулирования скорости вращения первичного двигателя в статических и динамических режимах работы.
автономный источник может быть снабжен выходным накопителем энергии;
преобразователь частоты может быть снабжён выходным фильтром гармоник.
Первый вариант полезной модели имеет, кроме того, следующие развития:
синхронный генератор может быть снабжен регулятором напряжения, вход которого подключён к дополнительному выходу микропроцессорной системы управления;
микропроцессорная система управления может быть снабжена датчиком выходной частоты автономного источника и подключена дополнительным выходом к управляющему входу преобразователя частоты;
микропроцессорная система управления может быть снабжена датчиком скорости вращения первичного двигателя, который может быть либо установлен на валу первичного двигателя, либо выполнен в виде датчика частоты, подключённого к выходу сршхронного генератора.
Второй вариант полезной модели имеет, кроме того, развитие, состоящее в том, что автономный источник снабжён выходным фильтром гармоник.
Развития полезной модели позволяют обеспечить её соответствие конкретным условиям и предъявляемым требованиям в частных случаях применения. Например, при коммутациях нагрузки, соизмеримой с мощностью двигателя, или при частых коммутациях нагрузки автономный источник целесообразно снабдить выходным накопителем энергии для дополнительного увеличения устойчивости и экономии топлива.
Краткое описание чертежей
модели с учетом её развития, фиг. 2 иллюстрирует изменения блок-схемы для второго варианта полезной модели.
Осуществление полезной модели Блок-схема содержит:
1- первичный двигатель с переменной скоростью вращения, например дизельный двигатель;
2- регулятор скорости вращения первичного двигателя 1;
3- синхронный генератор;
4- регулятор напряжения синхронного генератора 3;
5- преобразователь частоты;
6- выходной фильтр гармоник преобразователя частоты;
7- микропроцессорная система управления;
8, 9, 10 - датчики выходной частоты, напряжения и мощности автономного источника электропитания соответственно, которыми снабжена микропроцессорная система управления;
11- датчик скорости вращения первичного двигателя 1, выполненный в виде датчика частоты синхронного генератора;
12- датчик скорости вращения первичного дврвгателя 1, установленный на валу 13 (используется как альтернатива датчику 11);
14 - накопитель энергии.
Фиг. 2 показывает реализацию узла 15, выделенного пунктиром, по второму варианту полезной модели. На фиг. 2 допо.1шительно обозначено:
16- ротор электрической машины двойного питания;
17- статор электрической машины двойного питания.
Выход преобразователя 5 в этом случае подключен к ротору 16, а вход 18 - к выходу вспомогательного генератора, устанавливаемого на валу 13 (на чертеже не показан), или к статору 17.
Устройство работает следуюпщм образом.
Первичный, например дизельный, двигатель 1 приводит во вращение вал 13 с установленным на нём синзфонным генератором 3. Воздействуя на регулятор 2 система 7 изменяет скорость вращения двигателя 1. Частота
напряжения, вьфабатываемого генератором 3, меняется пропорционально скорости вращения двигателя 1.
Напряжеиие переменной частоты с выхода генератора 3 подаётся на преобразователь 5, выходная частота которого определяется воздействиями, подаваемыми системой 7 на управляющий вход 19. Датчики 8, 9, 10, обеспечивают систему 7 информацией о выходных параметрах автономного источника: напряжении, частоте и мощности, отдаваемой в нагрузку. Эта информация преобразуется в цифровой код, обрабатывается программируемым микропроцессорным контроллером, на базе которого выполнена система 7.
Подавая соответствующие управляющие воздействия на регулятор 4 и управляющий вход 18 преобразователя 5, система 7 обеспечивает требуемые стабильные значения напряжения и частоты на выходе 20 автономного источника.
Фильтр 6 подавляет нежелательные гармоники выходного напряжения преобразователя 5, обеспечивая требуемую форму напряжения на нагрузке. По второму варианту полезной модели вместо фильтра 6, установленного на выходе преобразователя 5 частоты, может быть применён фильтр 21 автономного источника, включаемый на выходе элемента 15, как это показано на фиг.2.
В программу работы системы 7 заложены оптимальные зависимости скорости вращения двигателя 1 в функции мощности нагрузки, соответствующие минимуму расходу топлива. При изменении мощности нагрузки система 7 подаёт на регулятор 2 сигнал, обеспечивающий оптимальную для данной мощности скорость вращения двигателя 1. Кроме того, система 7 запрограммирована с возможностью сравнивать с заданными значениями скорость вращения двигателя 1, выходное напряжение автономного источника, его частоту и в случае расхождения значений корректировать свои управляющие воздействия, добиваясь совпадения измеренных значений с заданными.
Накопитель 14 обеспечивает стабилизацию параметров в динамических режимах. Накапливая и возвращая энергию автономного источника, он компенсирует скачки (пики, провалы) энергии, разгружая от них синхронный генератор 3 и первичный двигатель 1. Это облегчает поддержание требуемых значений напряжения и скорости вращения при коммутациях нагрузки и, тем самым, обеспечивает дополнительную экономию топлива, поскольку исключает «перегазовку первичного двигателя 1. Накопитель 14 может быть выполнен, например, в виде блока конденсаторов с вентильным управлением 4.
Выбор варианта реализации полезной модели определяется конкретными требованиями, предъявляемыми к автономному источнику. Нервый вариант целесообразно применять при необходимости более широкого диапазона регулирования скорости вращения первичного двигателя, при малых диапазонах регулирования он уступает второму по массо-габаритным показателям.
Источники информации
1.П.А.Мещанинов. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л., Судостроение, 1970, с. 156-162.
2.Авторское свидетельство СССР № 532168, БИ 1976, №. 38.
3.В.И.Радин, А.Е.Загорский, В.А.Белоновский. Электромеханические устройства стабилизации частоты. М.. Энергоиздат, 1981, с. 42, 35.
4.Д.А.Бут, Б.Л.Алиевский, С.Р.Мизюрин, П.В.Васюкевич. Накопители энергии, М., Энергоатомиздат, 1991, с. 182-191.
XiO