АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным электростанциям, вырабатывающим электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной скорости вращения первичного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Такие электростанции находят применение, например, для автономного или резервного питания потребителей электроэнергии в тех районах, где централизованное электропитание отсутствует или недостаточно надежно.
Уровень техники
Известна автономная электростанция на базе ДВС и синхронного генератора, в которой стабилизация частоты тока генератора достигается стабилизацией скорости вращения первичного дизельного двигателя [1]. Недостатком устройства [1] является повышенный расход топлива, высокий уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, повышенная степень закоксовывания дизельного двигателя.
Известна, выбранная в качестве прототипа, автономная электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора и систему управления [2].
Стабилизация частоты и напряжения при переменной скорости вращения двигателя внутреннего сгорания в устройстве [2] обеспечивается соответствующими воздействиями системы управления на преобразователь частоты и па синхронный генератор.
Недостаток прототипа - повышенные стоимость и массогабаритные показатели, связанные с необходимостью использовать преобразователь частоты большой установленной мощности и соответствующими ей массой и габаритами.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - снизить стоимость, массу и габариты устройства.
Предметом полезной модели является автономная электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания, установленный на его валу синхронный генератор и преобразователь частоты на выходе синхронного генератора, отличающаяся, согласно полезной модели, тем, что в нее введен управляемый коммутатор, включенный между выходами синхронного генератора и преобразователя частоты.
Это позволяет уменьшить установленную мощность преобразователя частоты и, соответственно, стоимость и массогабаритные показатели устройства в целом.
Полезная модель имеет развития.
Согласно первому из них преобразователь частоты может быть выполнен в виде последовательно включенных выпрямителя и инвертора.
Дальнейшее развитие предусматривает введение накопителя энергии и его подключение к выходу выпрямителя в составе преобразователя.
Согласно следующему развитию электростанция может дополнительно содержать ветряной или гидравлический двигатель и установленный на его валу синхронный генератор, который через дополнительно введенный выпрямитель подключен к выходу выпрямителя в составе преобразователя частоты.
Развития полезной модели позволяют обеспечить ее соответствие конкретным условиям и предъявляемым требованиям в частных случаях применения. Например, при коммутациях нагрузки, соизмеримой с мощностью двигателя, или при частых коммутациях нагрузки автономную электростанцию для дополнительного увеличения устойчивости и экономии топлива целесообразно снабдить выходным накопителем энергии в виде аккумуляторной батареи. При использовании в составе электростанции двигателя внутреннего сгорания совместно с двигателем,
работающем на возобновляемом источнике энергии, например ветродвигателем, целесообразно осуществить их параллельную работу на общую шину постоянного тока с использованием дополнительно введенного выпрямителя.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема автономной электростанции с учетом развития полезной модели.
Осуществление полезной модели На блок-схеме показаны:
1 - двигатель внутреннего сгорания, например дизельный двигатель;
2 - синхронный генератор, установленный на валу 3 двигателя 1;
4 - преобразователь частоты на выходе генератора 2;
5 - выпрямитель в составе преобразователя 4;
6 - инвертор в составе преобразователя 4;
7 - управляемый коммутатор
8 - ветряной или гидравлический двигатель;
9 - синхронный генератор, установленный на валу двигателя 8;
10 - дополнительно введенный выпрямитель;
11 - накопитель энергии, например аккумуляторная батарея;
12 - шина постоянного тока;
13 - система управления, снабженная необходимыми датчиками (не показаны на фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
Двигатель 1 приводит во вращение вал 3 с установленным на нем синхронным генератором 2.
Напряжение переменной частоты с выхода генератора 2 подается на преобразователь 4, выходные параметры которого определяются воздействиями системы 13.
Подавая соответствующие управляющие воздействия на генератор 2 и преобразователь 4, система 13 обеспечивает требуемые стабильные
значения напряжения и частоты на выходной шине 14, к которой подключается нагрузка электростанции.
Если величина нагрузки двигателя 1 не превышает некоторого значения, например, половины номинальной нагрузки, коммутатор 7 находится в отключенном состоянии. При этом электроэнергия на шину 14 поступает от инвертора 6.
При увеличении нагрузки до указанного значения система 13 управления включает коммутатор 7 и выводит из работы выпрямитель 5. В этом режиме нагрузка, подключенная к шине 14, питается электроэнергией непосредственно от генератора 2 и потери в преобразователе 4 исключаются.
Требуемая установленная мощность преобразователя 4 (и, соответственно, его габариты, масса и стоимость) при таком его использовании могут быть снижены.
В результате проведенных исследований было установлено, что основная экономия топлива от питания нагрузки через преобразователь частоты при переменной скорости вращения ДВС получается при нагрузках менее половины номинальной. Поэтому шунтировать преобразователь 4 коммутатором 7 целесообразно, начиная с этого значения нагрузки.
Преобразователь 4 частоты может быть выполнен по схеме непосредственного преобразования частоты или в виде последовательно включенных выпрямителя и инвертора.
В последнем случае к выходу выпрямителя 6 может быть подключен накопитель 11 в виде батареи аккумуляторов.
Накопитель 11 обеспечивает стабилизацию параметров в динамических режимах. Накапливая и возвращая энергию, он компенсирует скачки (пики, провалы) энергии, разгружая от них электростанцию. Это облегчает поддержание требуемых значений напряжения и скорости вращения при коммутациях нагрузки и, тем самым, обеспечивает
дополнительную экономию топлива, поскольку исключает «перегазовку» двигателя 1. В стационарных режимах накопитель 11 может быть использован в качестве резервного источника энергии.
В случае совместного использования двигателя 1 с двигателем 8, снабженным синхронным генератором 9, целесообразно объединить генераторы 2 и 9 для параллельной работы на шину 12 с помощью выпрямителя 10.
В этом случае система 13, воздействуя на регулятор подачи топлива двигателя 1, а также на напряжение обмоток возбуждения генераторов 2 и 9 и, в случае необходимости, на управление выпрямителем 10 и инвертором 6, может осуществлять перераспределение нагрузок генераторов 2, 9 и двигателей 1, 8 в широких диапазонах изменения скорости ветра и скоростей вращения ДВС. При разомкнутом коммутаторе 7 генераторы 2 и 9 работают параллельно на шину 12, а при замкнутом коммутаторе 7 - на шину 14, к которой генератор 9 подключается через выпрямитель 10 и инвертор 6.
Источники информации
1. П.А.Мещанинов. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л., Судостроение, 1970, с.156-162.
2. Патент РФ №34817 на полезную модель. МПК H 02 J 3/00, 2003 г.