АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ISOLATED ALTERNATING CURRENT ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе ДВС и синхронного генератора, и предназначено для генерирования электроэнергии стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной частоте вращения вала ДВС.
Известно устройство для генерирования переменного напряжения, выполненное на базе ДВС и синхронного генератора, в котором стабилизация частоты переменного напряжения статора синхронного генератора обеспечивается стабилизацией частоты вращения вала ДВС, а стабилизация амплитуды напряжения статора синхронного генератора - изменением тока обмотки его возбуждения [П.А.Мещанинов. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л.: Судостроение, 1970, с.156-162]. Недостатком устройства является низкий КПД (высокое потребление топлива) за счет того, что ДВС при разных нагрузках работает с постоянной скоростью.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Патент РФ №34817 на полезную модель, МПК H02J 3/46, 2003 г.), состоящее из первичного двигателя с переменной скоростью вращения (например, дизельного двигателя), регулятора скорости вращения первичного двигателя, синхронного генератора, регулятора напряжения синхронного генератора, преобразователя частоты, выходного фильтра гармоник преобразователя частоты, микропроцессорной системы управления, датчиков выходной частоты, напряжения и мощности автономного источника электропитания, датчика скорости вращения первичного двигателя, накопителя энергии. Для каждого конкретного значения мощности нагрузки микропроцессорная система управления задает оптимальную с точки зрения минимального расхода топлива частоту вращения вала ДВС. Недостатком устройства является то, что стабилизация амплитуды напряжения статора синхронного генератора, соединенного с валом ДВС, выполняется путем воздействия на величину тока обмотки возбуждения синхронного генератора с помощью регулятора напряжения. Известно, что напряжение статора генератора переменного тока пропорционально частоте вращения его вала [Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е. изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978, с.385-393]. С точки зрения топливной экономичности при изменении мощности нагрузки частоту вращения вала ДВС следует менять в широких пределах, при этом минимальная частота вращения вала может в несколько раз отличаться от номинальной частоты [Алешков О.А. Повышение топливной экономичности первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима: Автореф. дис.… канд. техн. наук. Барнаул, 2009]. Следовательно, и амплитуда напряжения синхронного генератора будет меняться в широком диапазоне, и ее минимальное значение будет в несколько раз меньше номинального значения. Поэтому способ стабилизации амплитуды напряжения статора синхронного генератора, основанный на воздействии на ток обмотки возбуждения, не обеспечит поддержания его на уровне номинального значения.
Решаемая задача - создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является стабилизация выходного напряжения статора синхронного генератора автономной электростанции на уровне номинального значения при условии минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Этот технический результат достигается тем, что в автономной электростанции переменного тока, содержащей последовательно соединенные ДВС с переменной скоростью вращения, синхронный генератор, преобразователь частоты, датчик частоты вращения ДВС, на выходе установлен повышающий трансформатор, преобразователь частоты выполнен в виде блоков: управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи, датчика тока и инвертора напряжения, к управляемому выпрямителю подключен блок стабилизации напряжения, состоящий из задатчика напряжения, сумматора сигналов и регулятора напряжения, к блоку возбуждения синхронного генератора подсоединен выход блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС.
Применение повышающего трансформатора, выполнение преобразователя частоты в виде блоков: управляемого выпрямителя с блоком стабилизации напряжения, конденсаторной батареи, датчика тока и инвертора напряжения с блоком задатчика частоты выходного напряжения, а также подсоединение к блоку возбуждения синхронного генератора выхода блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как обеспечивает стабилизацию не только частоты, но и амплитуды выходного напряжения на уровне номинальных значений для синхронного генератора при условии минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства.
Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1, синхронный генератор 2, преобразователь частоты, включающий управляемый выпрямитель 3, конденсаторную батарею 4, датчик тока 5, инвертор напряжения 6, на выходе устройства установлен повышающий трансформатор 7 с выходными выводами 8. К ДВС 1 подключены регулятор 9 частоты вращения вала ДВС 1, датчик 10 частоты вращения вала ДВС 1, сумматор сигналов 11, входящие в блок 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, сюда же входит блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 14 возбуждения синхронного генератора 2 с выводами 15 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения синхронного генератора 2, с выходами блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 16 стабилизации напряжения, состоящий из задатчика напряжения 17, сумматора сигналов 18 и регулятора напряжения 19, соединен с выходом датчика напряжения 20, с которым соединен также блок 14 возбуждения синхронного генератора 2. Вход блока 13 соединен с блоком 21 вычисления мощности нагрузки. Выход задатчика 22 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 6.
Устройство работает следующим образом.
Блок 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 получает сигнал с блока вычисления мощности нагрузки 21, который соединен с выходами датчика напряжения 20 и датчика тока 5, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя 3. В зависимости от значения мощности нагрузки блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости скорости вращения ДВС 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. С помощью сумматора сигналов 11 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 13 и сигнала датчика 10 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора 11 поступает на вход регулятора 9 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 13. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 8, а значит и на валу ДВС 1, 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 мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения синхронного генератора 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на выходных выводах 8 на уровне номинального значения для синхронного генератора 2 осуществляется следующим образом.
Управляемый выпрямитель 3 преобразует переменное напряжение статора синхронного генератора 2 в постоянное напряжение заданной величины. Стабилизация выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 16 стабилизации напряжения, в состав которого входит блок регулятора напряжения 19, вход которого подключен к сумматору сигналов 18, на входы которого поступают сигналы с задатчика напряжения 17 и с датчика напряжения 20. Для сглаживания выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на его выходе включена конденсаторная батарея 4, которая необходима также для работы инвертора напряжения 6. Кроме того, конденсаторная батарея 4 является накопителем энергии и компенсирует пики и провалы энергии в динамических режимах. Выходное напряжение управляемого выпрямителя 3 преобразуется с помощью инвертора 6 в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе управляемого выпрямителя 3.
При изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения частота вращения вала ДВС 1, а следовательно, и амплитуда напряжения синхронного генератора 2 будут меняться в широком диапазоне.
При этом выходное напряжение управляемого выпрямителя 3, а значит и амплитуда переменного напряжения на выходных выводах 8, будут меняться в широком диапазоне и будут меньше номинального значения напряжения статора синхронного генератора 2. Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 8 до уровня номинального напряжения синхронного генератора 2 на выходе инвертора напряжения 6 включен повышающий трансформатор 7. Задавая с помощью блока задатчика напряжения 17 величину выходного напряжения управляемого выпрямителя 3, равной отношению амплитуды номинального напряжения статора синхронного генератора 2 к коэффициенту трансформации повышающего трансформатора 7, на выходных выводах 8 получим переменное трехфазное напряжение, амплитуда которого равна номинальному значению для синхронного генератора 2.
Блок 14 возбуждения синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 15 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения синхронного генератора 2 с учетом сигнала от блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и от датчика напряжения 20. Таким образом, при изменении частоты вращения вала ДВС 1 на выходных выводах 8 поддерживается амплитуда переменного трехфазного напряжения на уровне номинального значения для статора синхронного генератора 2.
Частота выходного трехфазного напряжения на выходных выводах 8 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора 6 на уровне, задаваемом блоком задатчика частоты 22 выходного напряжения.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна 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.