Автономная электростанция переменного тока
AUTONOMOUS AC POWER PLANT

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 частотой вращения.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Патент РФ № 2412513 на изобретение. МПК Н02J 3/34, 2011 г.), содержащее последовательно соединенные ДВС  переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, синхронный генератор, двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: управляемого выпрямителя,  конденсаторной батареи, инвертора напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком  задания экономичной частоты вращения вала ДВС, повышающий трансформатор и выходные выводы. Стабилизация частоты и амплитуды выходного напряжения в данном устройстве осуществляется на уровне номинальных значений для синхронного генератора при условии минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Недостатком устройства является то, что в его состав входит повышающий трансформатор, работающий на частоте, равной частоте выходного напряжения (как правило, 50 Гц), и поэтому имеющий значительные массо-габаритные показатели.
Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение массогабаритных показателей автономной электростанции.
Этот технический результат достигается тем, что в автономной электростанции переменного тока, содержащей последовательно соединенные ДВС переменной частоты вращения, синхронный генератор, двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком  задания экономичной частоты вращения вала ДВС, повышающий трансформатор и выходные выводы, между повышающим трансформатором и выходными выводами установлен двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения.
Установка между повышающим трансформатором и выходными выводами двухзвенного преобразователя частоты, выполненного в виде блоков: неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как позволяет выполнить повышающий трансформатор высокочастотным (номинальная частота - 20-30 кГц), что существенно снижает массогабаритные показатели  установки в целом.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где показана функциональная схема устройства.
Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1, синхронный генератор 2, двухзвенный преобразователь частоты 3, выполненный в виде блоков: управляемого выпрямителя 4, конденсаторной батареи 5 и инвертора напряжения 6, датчик тока 7, повышающий трансформатор 8, двухзвенный преобразователь частоты 9, выполненный в виде блоков: неуправляемого выпрямителя 10, конденсаторной батареи 11 и инвертора напряжения 12, выходные выводы 13. К ДВС 1 подключены регулятор 14 частоты вращения вала ДВС 1, датчик 15 частоты вращения вала ДВС 1, сумматор сигналов 16, входящие в блок 17 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1. Сюда же входит блок 18 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 19 возбуждения синхронного генератора 2 с выводами 20 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения синхронного генератора 2, с выходами блока 18 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 21 стабилизации напряжения, состоящий из задатчика напряжения 22, сумматора сигналов 23 и регулятора напряжения 24, соединен с выходом датчика напряжения 25, с которым соединен также блок 19 возбуждения синхронного генератора 2. Вход блока 18 соединен с блоком 26 вычисления мощности нагрузки. Выходы задатчиков 27 и 28 частоты выходного напряжения соединены соответственно с инверторами напряжения 6 и 12.
Устройство работает следующим образом.
Блок 17 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, получает сигнал с блока вычисления мощности нагрузки 26, который соединен с выходами датчика напряжения 25 и датчика тока 7, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе двухзвенного преобразователя частоты 3.  В зависимости от значения мощности нагрузки блок 18 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости частоты вращения ДВС 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. С помощью сумматора сигналов 16 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 18 и сигнала датчика 15 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора 16 поступает на вход регулятора 14 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 18. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 13, 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 13 на уровне номинального значения для синхронного генератора 2 осуществляется следующим образом.
Управляемый выпрямитель 4, входящий в состав преобразователя частоты 3, преобразует переменное напряжение статора синхронного генератора 2 в постоянное напряжение заданной величины. Стабилизация выходного напряжения управляемого выпрямителя 4 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 21 стабилизации напряжения, в состав которого входит блок регулятора напряжения 24, вход которого подключен к сумматору сигналов 23, на входы которого поступают сигналы с задатчика напряжения 22 и с датчика напряжения 25. Для сглаживания выходного напряжения управляемого выпрямителя 4 на его выходе включена конденсаторная батарея 5, которая необходима также для работы инвертора напряжения 6, входящего в состав двухзвенного преобразователя частоты 3. Кроме того, конденсаторная батарея 5 является накопителем энергии и компенсирует пики и провалы энергии в динамических режимах. Выходное напряжение управляемого выпрямителя 4 преобразуется с помощью инвертора 6 в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе управляемого выпрямителя 4.
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 4 будет меняться в широком диапазоне и будет меньше номинального значения напряжения статора синхронного генератора 2. Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 13 до уровня номинального напряжения синхронного генератора 2 на выходе инвертора напряжения 6 (за датчиком тока 7) включен повышающий трансформатор 8. Задавая с помощью блока задатчика напряжения 22 величину выходного напряжения управляемого выпрямителя 4, равной отношению амплитуды номинального напряжения статора синхронного генератора 2 к коэффициенту трансформации повышающего трансформатора 8, на выходе повышающего трансформатора 8 получим переменное трехфазное напряжение, амплитуда которого равна номинальному значению для синхронного генератора 2.
Частота выходного напряжения инвертора 6 в предлагаемой установке задается блоком задатчика 27 частоты выходного напряжения высокой, как правило, на уровне 20-30 кГц. При этом в качестве повышающего трансформатора 8 применяется высокочастотный трансформатор, массогабаритные показатели  которого во много раз меньше трансформатора, работающего на низкой частоте (десятки Гц), применяемого в прототипе (Патент РФ № 2412513 на изобретение. МПК Н02J 3/34, 2011 г.). Выходное напряжение повышающего трансформатора 8 выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя 10, входящего в состав двухзвенного преобразователя частоты 9. Для сглаживания выходного напряжения неуправляемого выпрямителя 10 на его выходе включена конденсаторная батарея 11, которая необходима также для работы инвертора напряжения 12. Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя 10 преобразуется с помощью инвертора напряжения 12, входящего в состав преобразователя частоты 9, в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе неуправляемого выпрямителя 10.
Частота выходного трехфазного напряжения на выходных выводах 13 поддерживается стабильной с помощью инвертора 12 на уровне, задаваемом блоком  задатчика частоты 28 выходного напряжения.
Блок 19 возбуждения синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 20 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения синхронного генератора 2  с учетом сигнала от блока 18 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и от датчика напряжения 25.
Таким образом, при изменении частоты вращения вала ДВС 1 на выходных выводах 13 поддерживается амплитуда переменного трехфазного напряжения на уровне номинального значения для статора синхронного генератора 2.
При этом благодаря тому, что повышающий трансформатор работает на высокой частоте (20-30 кГц), массогабаритные показатели его и установки в целом снижаются, несмотря на то, что в схему введены дополнительные элементы: неуправляемый выпрямитель, конденсаторная батарея и инвертор напряжения.
Патент имеет развитие, согласно которому двухзвенный преобразователь частоты 3, состоящий из управляемого выпрямителя 4, конденсаторной батареи 5 и инвертора напряжения 6, и двухзвенный преобразователь частоты 9, состоящий из  неуправляемого выпрямителя 10, конденсаторной батареи 11 и инвертора напряжения 12,  могут выполнены быть выполнены в виде непосредственных преобразователей частоты.
Замена двухзвенных преобразователей частоты на непосредственные преобразователи частоты позволяет перейти от двухступенчатого преобразования электроэнергии к одноступенчатому, и таким образом повысить КПД электростанции (снизить удельный расход топлива), а также еще больше снизить ее массогабаритные показатели.
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.