СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОМ С ГЕНЕРАТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DIESEL GENERATING SET CONTROL SYSTEM WITH ALTERNATING CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы управления электроагрегатами с генератором переменного тока.
Известны дизельные электроагрегаты с генератором переменного трехфазного тока, в которых управление осуществляется за счет постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя при любой нагрузке: от номинального значения до холостого хода. Кроме того, управление в системе возбуждения генератора переменного тока в таком электроагрегате осуществляется за счет подачи напряжения постоянного тока в обмотку возбуждения, а также стабилизации напряжения на выходе генератора [1].
Основным недостатком такого управления является наличие повышенных отклонений напряжения и частоты генератора при отключении (включении) нагрузки потребителей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является дизельный электроагрегат с генератором переменного тока [2]. Этот электроагрегат содержит дизельный двигатель внутреннего сгорания, генератор переменного трехфазного тока, комбинированный угольный регулятор для обмотки возбуждения генератора, систему автоматизированного управления по третьей степени отдельными режимами работы двигателя и отдельными параметрами электроагрегата, блок аварийно-предупредительной индикации, пульт дистанционного и автоматического управления электроагрегатом.
Основные недостатки известного дизельного электроагрегата с генератором переменного тока заключаются в следующем. В электроагрегате вал генератора приводится во вращение двигателем с постоянной скоростью независимо от тока нагрузки потребителей электроэнергии. При этом как при частичной, так и при полной нагрузке топливо потребляется двигателем одинаково, что является неэффективным. Длительная работа такого электроагрегата в режиме с частичной нагрузкой приводит к сокращению его технического ресурса и повышению часового расхода топлива. Кроме того, схема возбуждения генератора переменного тока является сложной.
Целью изобретения является повышение стабильности выходного напряжения генератора переменного тока при резких изменениях тока нагрузки, увеличение технического ресурса двигателя и сокращение часового расхода топлива.
Поставленная цель достигается тем, что в систему управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока, содержащую дизельный двигатель внутреннего сгорания, на коленчатом валу которого размещена муфта, генератор переменного тока, блок (пульт) управления электроагрегатом и блок подключения потребителей электроэнергии переменного тока, дополнительно введены датчик тока нагрузки, блок подключения нагрузки, преобразователь электроэнергии переменного тока, инвертор постоянной частоты, блок регулирования подачи топлива, блок контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, буферный молекулярный накопитель электроэнергии постоянного тока, датчик тока заряда буферного молекулярного накопителя, блок коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блок запуска двигателя, при этом дизельный двигатель внутреннего сгорания посредством муфты коленчатого вала механически соединен с генератором переменного тока, выход которого соединен со входом датчика тока нагрузки, выход которого соединен со входом преобразователя электроэнергии переменного тока, первый выход которого соединен с первым входом блока подключения нагрузки, выход которого соединен со входом инвертора постоянной частоты, выход которого соединен со входом блока подключения потребителей электроэнергии переменного тока, второй выход преобразователя электроэнергии переменного тока соединен с первым входом датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, первый выход которого соединен со вторым входом преобразователя электроэнергии переменного тока, второй выход датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока соединен со входом буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя, информационные выходы датчика тока нагрузки, блока контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя подключены соответственно к первому, второму и третьему информационным входам блока (пульта) управления электроагрегатом, первый, второй и третий управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно блока подключения нагрузки, блока коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока запуска двигателя, управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом дизельного двигателя, информационный выход которого соединен с информационным входом блока контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, управляющий выход которого соединен со вторым управляющим входом блока коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя, управляющий выход которого соединен с управляющим входом блока регулирования подачи топлива, управляющий выход которого соединен со вторым управляющим входом дизельного двигателя.
Поставленная цель достигается также и тем, что блок (пульт) управления электроагрегатом содержит системный блок, состоящий из микропроцессора, системной шины, синхронизатора, программного устройства и устройства идентификации, блок приема данных и блок формирования команд управления, при этом первые, вторые, третьи, четвертые, пятые и шестые входы-выходы системной шины подключены ко входам-выходам соответственно микропроцессора, синхронизатора, программного устройства, устройства идентификации, блока приема данных и блока формирования команд управления, при этом первый, второй и третий входы блока приема данных являются соответственно первыми, вторыми и третьими информационными входами блока (пульта) управления электроагрегата и подключены к информационным выходам соответственно датчика тока нагрузки, блока контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, а первый, второй и третий выходы блока формирования команд управления являются соответственно первыми, вторыми и третьими управляющими выходами блока (пульта) управления электроагрегатом и подключены к управляющим входам соответственно блока подключения нагрузки, блока коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока запуска двигателя.
Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемая система управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока отличается наличием новых блоков: датчика тока нагрузки, блока подключения нагрузки, преобразователя электроэнергии переменного тока, инвертора постоянной частоты, блока регулирования подачи топлива, блока контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, датчика тока заряда буферного молекулярного накопителя, блока коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока запуска двигателя, а также изменением связей между известными элементами схемы.
Таким образом, заявляемая система управления электроагрегатом с генератором переменного тока соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки реализуемы, хорошо известны специалистам в данной области техники и дополнительного творчества, учитывая приведенные ниже пояснения, для их воспроизведения не требуется. При этом предлагаемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники и существенно отличается от известных устройств в данной области техники, то есть имеет изобретательский уровень.
Однако при введении новых блоков в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое изобретение вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению стабильности выходного напряжения электроагрегата при резких изменениях тока нагрузки, увеличению технического ресурса двигателя за счет снижения числа оборотов коленчатого вала двигателя и сокращению в соответствии с этим часового расхода топлива. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием существующих блоков и устройств, используемых в технике электросвязи и вычислительной технике, и является промышленно применимым. Это подтверждается изготовлением опытных образцов и проведенными испытаниями, результаты которых подтвердили техническую реализуемость и достижение поставленной в предлагаемой заявке на изобретение цели.
На фиг. 1 приведена структурная функциональная схема системы управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока, а на фиг. 2 показана структурная схема блока управления режимами работы двигателя.
Система управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока содержит (фиг. 1):
1 - дизельный двигатель внутреннего сгорания;
2 - муфта (соединительная) коленчатого вала двигателя;
3 - генератор переменного тока;
4 - датчик тока нагрузки;
5 - преобразователь электроэнергии переменного тока;
5 - блок подключения нагрузки (БПН);
7 - инвертор постоянной частоты;
8 - блок подключения потребителей электроэнергии переменного тока;
9 - блок регулирования подачи топлива;
10 - блок контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя;
11 - буферный молекулярный накопитель электроэнергии постоянного
тока;
12 - датчик тока заряда буферного молекулярного накопителя;
13 - блок коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя;
14 - блок (пульт) управления электроагрегатом;
15 - блок запуска двигателя.
Дизельный двигатель 1 внутреннего сгорания посредством муфты 2 коленчатого вала механически соединен с генератором 3 переменного тока, выход которого соединен со входом датчика 4 тока нагрузки, выход которого соединен со входом преобразователя 5 электроэнергии переменного тока, выход которого соединен с первым входом блока 6 подключения нагрузки, выход которого соединен со входом инвертора 7 постоянной частоты, выход которого соединен со входом блока 8 подключения потребителей электроэнергии переменного тока. Второй выход преобразователя 5 электроэнергии переменного тока соединен с первым входом датчика 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, первый выход которого соединен со вторым входом блока 6 подключения нагрузки. Второй выход датчика 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока соединен со входом буферного молекулярного накопителя 11 электроэнергии постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом датчика 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя.
Информационные выходы датчика 4 тока нагрузки, блока 10 контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчика 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя подключены соответственно к первому, второму и третьему информационным входам блока (пульта) 14 управления электроагрегатом, первый, второй и третий управляющие выходы которого подключены к управляющим входам соответственно блока 6 подключения нагрузки, блока 13 коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока 15 запуска двигателя, управляющий выход которого соединен с первым управляющим входом дизельного двигателя 1, информационный выход которого соединен с информационным входом блока 10 контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя, управляющий выход которого соединен со вторым управляющим входом блока 13 коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя, управляющий выход которого соединен с управляющим входом блока 9 регулирования подачи топлива, управляющий выход которого соединен со вторым управляющим входом дизельного двигателя 1.
Блок (пульт) 14 управления электроагрегатом содержит (см. фиг. 2) системный блок 16, состоящий из микропроцессора 17, системной шины 18, синхронизатора 19, программного устройства 20 и устройства 21 идентификации, а также содержит блок 22 приема данных и блок 23 формирования команд управления. При этом первые, вторые, третьи, четвертые, пятые и шестые входы-выходы системной шины 18 подключены к входам-выходам соответственно микропроцессора 17, синхронизатора 19, программного устройства 20, устройства 21 идентификации, блока 22 приема данных и блока 23 формирования команд управления, при этом первый, второй и третий входы блока 22 приема данных являются соответственно первыми, вторыми и третьими информационными входами блока 14 управления электроагрегатом и подключены к информационным выходам соответственно датчика 4 тока нагрузки, блока 10 контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчика 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя электроэнергии постоянного тока, а первый, второй и третий выходы блока 23 формирования команд управления являются соответственно первыми, вторыми и третьими управляющими выходами блока (пульта) 14 управления электроагрегатом и подключены к управляющим входам соответственно блока 6 подключения нагрузки, блока 13 коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и блока 15 запуска двигателя.
Дизельный двигатель 1 и генератор 3 переменного тока через соединительную муфту 2 соединены между собой в единый блок (двигатель-генератор).
Генератор 3 переменного тока осуществляет преобразование механической энергии вращения коленчатого вала двигателя 1 в электрическую энергию переменного тока, при этом напряжение с выхода генератора 3 передается на вход датчика тока 4 нагрузки.
Особенностью используемого генератора 3 переменного тока является то, что в нем применена система возбуждения на постоянных магнитах. Это позволяет уменьшить массогабаритные показатели на 30-40 процентов по сравнению с классической схемой генератора переменного тока.
Датчик 4 тока нагрузки предназначен для контроля тока нагрузки потребителей и обеспечения регулирования режимов работы преобразователя 5 напряжения переменного тока.
Преобразователь 5 электроэнергии переменного тока предназначен для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Схема преобразователя 5 реализована на силовых полупроводниковых элементах - мощных диодах, подключенных непосредственно (без входного трансформатора) к напряжению генератора, что дало возможность сократить массогабаритные показатели преобразователя 5. Для охлаждения мощных диодов в преобразователе применена жидкостная система охлаждения. Преобразователи с такой схемой и системой охлаждения серийно выпускаются отечественной промышленностью.
Блок 6 подключения нагрузки предназначен для обеспечения подключения нагрузки в двух режимах работы электроагрегата.
Первый режим соответствует работе двигателя при полной нагрузке. В этом случае потребители электроэнергии подключены к напряжению генератора 3 переменного тока через инвертор 7 постоянной частоты, блок 6 подключения нагрузки, преобразователь 5 электроэнергии переменного тока и датчик 4 тока нагрузки.
Второй режим соответствует работе электроагрегата при скачкообразном изменении тока нагрузки или частичной нагрузке. В этом случае потребители электроэнергии через инвертор 7 постоянной частоты (50 Гц), блок 6 подключения нагрузки и датчик 12 тока заряда подключаются к напряжению постоянного тока буферного молекулярного накопителя 11, которое используется как резервный источник для поддержания бесперебойного питания потребителей. При этом напряжение постоянного тока с выхода буферного молекулярного накопителя 11 через датчик 12 тока заряда и блок 6 подается на инвертор 7 постоянной частоты, который преобразует напряжение постоянного тока и постоянной частоты в напряжение переменного тока. С выхода инвертора 7 постоянной частоты напряжение переменного тока подается к потребителям 8 электроэнергии.
Инвертор 7 постоянной частоты предназначен для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока постоянной частоты и поддержания стабильности значения выходного напряжения и частоты переменного тока 50 Гц в пределах 5 процентов.
Инвертор 7 совместно с буферным 11 молекулярным накопителем электроэнергии постоянного тока и датчиком 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя предназначены для обеспечения постоянства величины выходного напряжения и частоты переменного тока для потребителей электроэнергии переменного тока при различных режимах работы дизельного электроагрегата.
Блок 8 подключения потребителей электроэнергии переменного тока представляет собой силовой ввод, на панели которого размещены силовые разъемы, к которым подключаются кабели силовой распределительной сети от потребителей электроэнергии переменного тока, находящихся в подвижных объектах, например подвижных аппаратных связи и средствах каналообразования.
Блок 9 регулирования предназначен для регулирования оборотов двигателя 1 внутреннего сгорания. Воздействуя на органы подачи топлива, блок 9 поддерживает при различных нагрузках заданный скоростной режим в определенных пределах. В составе блока 9 регулирования имеется устройство, обеспечивающее изменение настройки регулятора в заданных пределах.
Блок 10 предназначен для контроля текущей частоты вращения коленчатого вала двигателя и выдачи информации на блок 14 управления электроагрегатом для последующей выработки команд управления режимами работы электроагрегата.
Буферный молекулярный накопитель 11 совместно с датчиком 12 тока заряда буферного молекулярного накопителя предназначены для создания запаса электроэнергии постоянного тока, обеспечения постоянства частоты выдаваемого напряжения и бесперебойного питания потребителей электроэнергии переменного тока при различных режимах работы дизельного электроагрегата.
Блок (пульт) 14 управления предназначен для управления режимами работы дизельного электроагрегата при различных изменениях нагрузки потребителей электроэнергии переменного тока после предварительного запуска дизельного двигателя 1 и подключения нагрузки потребителей 8 электроэнергии переменного тока.
В качестве блока (пульта) управления 14 электроагрегатом может быть использован однокристальный 8-разрядный микроконтроллер КМ1816ВЕ48, называемый для краткости МК 1816. Микроконтроллер МК 1816 представляет собой большую интегральную схему (БИС), имеющую в своем составе все атрибуты небольшой микро-ЭВМ: арифметико-логическое устройство, устройство управления, постоянное ЗУ программ, ОЗУ данных и интерфейсные схемы [4]. Микроконтроллер КМ1816БЕ48 используется в качестве специализированного вычислителя, включаемого в контур управления объектом или процессом.
Блок 15 запуска двигателя предназначен для запуска двигателя электроагрегата при первоначальном включении двигателя. После запуска двигателя управление режимами работы электроагрегата осуществляется с помощью блока (пульта) 14 управления электроагрегатом.
Система управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока работает следующим образом.
При частичном отключении мощности потребителей 8 электроэнергии происходит уменьшение тока нагрузки, которое фиксируется датчиком 4 тока нагрузки и с его информационного выхода сигнал передается на информационный вход блока 14 управления электроагрегатом. В блоке 14 происходит анализ полученной информации, сравнение с заданными параметрами и, при отклонении режима работы от нормы, формируется блоком 23 управляющая команда.
Команда управления с управляющего выхода блока 14 поступает в блок 13 коррекции частоты вращения коленчатого вала двигателя и с его выхода команда управления поступает на вход блока 9 регулирования подачи топлива. В блоке 9 происходит формирование управляющего сигнала, который поступает на вход механизма управления дроссельной заслонкой дизельного двигателя 1, под действием которого он срабатывает и изменяет положение дроссельной заслонки в сторону уменьшения подачи топлива. При этом скорость вращения вала дизельного двигателя 1 уменьшается и соответственно уменьшается скорость вращения ротора генератора 3 переменного тока, а это в свою очередь вызывает уменьшение частоты напряжения переменного тока на выходе генератора 3.
При скачкообразном изменении (от минимального до максимального значения) тока нагрузки нарушается работа двигателя внутреннего сгорания из-за недостатка механической энергии. Это происходит потому, что скорость вращения коленчатого вала минимальна, а из-за инерционности системы управления электроагрегатом двигатель не может мгновенно восстановить максимальные обороты.
В общем случае процесс восстановления максимального вращения коленчатого вала двигателя электроагрегата занимает 1,5-2 с.
Этот недостаток устраняется тем, что потребители электроэнергии подключены к инвертору 7 постоянной частоты, а последний через блок 6 подключения нагрузки и датчик 12 тока заряда соединен с буферным молекулярным накопителем 11 электроэнергии постоянного тока, имеющим необходимый запас электроэнергии для обеспечения потребителей заданным качеством электроэнергии переменного тока.
При нормальной работе электроагрегата напряжение переменного тока с выхода генератора 3 переменного тока через датчик 4 тока нагрузки поступает на вход преобразователя 5 электроэнергии переменного тока, который преобразует его в напряжение постоянного тока и через блок 6 подключения нагрузки передает это напряжение постоянного тока на вход инвертора 7 постоянной частоты. Блок 7 осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока стандартной частоты 50 Гц и через блок 8 подключения выдает стандартизованное напряжение потребителям электроэнергии переменного тока, находящимся в различных подвижных объектах.
Технический эффект от предлагаемого изобретения заключается в повышении топливной экономичности и технического ресурса дизельного двигателя электроагрегата, стабильности частоты переменного тока генератора, достигаемой за счет автоматического регулирования скорости вращения коленчатого вала двигателя при различных изменениях нагрузки потребителей.
В предлагаемой системе управления дизельным электроагрегатом с генератором переменного тока достигается увеличение стабильности частоты выдаваемого потребителям напряжения переменного тока в пределах 5 % при нестабильности частоты в генераторе в пределах 50-70 %.
Кроме того, при снижении скорости вращения вала двигателя часовой расход топлива уменьшается в (1,5-2,5) раза, а обеспечение работы двигателя электроагрегата в облегченном режиме позволяет повысить его технический ресурс на 25-30 процентов.
Так, например, при числе оборотов коленчатого вала n = 1500 об/мин часовой расход топлива дизельного двигателя составляет 26 кг/ч, а при снижении числа оборотов до n = 1300 об/мин часовой расход топлива составляет 20 кг/ч, то есть получаем выигрыш в 1,3 раза.
xx
Для холостого хода двигателя получаем еще более значительные результаты. Так, для n = 900 об/мин расход топлива составляет всего 8 кг/ч, что по сравнению с числом оборотов двигателя n = 1500 позволяет уменьшить расход топлива в 3,25 раза.
Достоинством предлагаемого устройства является также и то, что за счет применения в составе генератора переменного тока в качестве устройства возбуждения постоянных магнитов достигнуто снижение его массогабаритных показателей на 40-60 %.
Важным достоинством предлагаемой системы управления является то, что при скачкообразном изменении тока нагрузки (от минимального значения до максимального) устраняется нарушение нормальной работы двигателя электроагрегата, так как потребители в это время подключены к буферному молекулярному накопителю электроэнергии постоянного тока и тем самым снимается перегрузка двигателя, который в облегченном режиме восстанавливает максимальные обороты коленчатого вала.
Источники информации
1. Бензоэлектрические и дизельэлектрические агрегаты мощностью от 0,5 до 400 кВт. Справочник / Под ред. В.П. Лебедева. Гос. научно-технич. изд-во машиностроительной литературы. - М., 1966.
2. Электротехнические средства инженерного вооружения / Под ред. П.В. Янкаускаса. - М.: Военное изд-во, 1989, с. 152-162 (прототип).
3. С. Рама Редди. Основы силовой электроники. - М.: Техносфера, 2006.
4. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987.