АВТОНОМНЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
AUTONOMOUS PORTABLE POWER GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники автономных источников электрического питания, в частности к конструкциям генераторных установок с двигателем внутреннего сгорания и синхронным генератором с постоянными магнитами. Оно может быть использовано в качестве автономного портативного источника электропитания для различных устройств, применяемых как в быту и походных условиях, так и для устройств специального предназначения.
Известны различные конструкции генераторных установок с двигателями внутреннего сгорания. В частности, известен дизельный электроагрегат (1), который может быть использован в качестве автономного агрегата электропитания, предназначенного для питания энергоснабжения потребителей постоянным и переменным током. Агрегат содержит дизель с замкнутой системой водяного охлаждения. Привод генератора осуществляется с помощью клиноременной передачей от шкива, установленного на оси коленчатого вала дизеля, и шкива генератора. Между шкивами устанавливается промежуточный шкив с механизмом натяжения ремня и компенсации вибраций.
Такой электрогенератор обладает рядом недостатков:
1) Конструкция представляет достаточно громоздкое устройство, которое сложно транспортировать, в частности - вручную.
2) Масса такого устройства достаточно велика, что приводит к низкому показателю удельной энергоемкости устройства в целом, а также создает большие трудности для электропитания специализированных портативных систем в местах, где доступ к электросети невозможен.
Наиболее близким к настоящему изобретению является легковесный портативный автономный электрогенератор (2). В его состав входит система подачи топлива, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), синхронный генератор с постоянными магнитами, соединенный с ДВС соосно, система управления оборотами ДВС и формированием напряжения. Найденное конструктивное решение сопряжения электрогенераторов позволяет снизить массу устройства, однако все перечисленные недостатки для предыдущего изобретения также присущи и этому:
1) Достаточно габаритное устройство, не позволяющее переносить его вручную.
2) Большая масса всего изделия, что обусловлено применением ДВС и электрической машины особой конструкции.
3) Низкий показатель удельной энергоемкости устройства в целом, что создает большие трудности для электропитания специализированных портативных систем в местах, где доступ к электросети невозможен.
4) Большой расход топлива вследствие использования ДВС с большим объемом камеры сгорания.
Технической задачей при разработке настоящего изобретения являлось создание портативного, переносимого вручную за счет уменьшения массы ДВС, простого в обслуживании малогабаритного автономного источника электропитания с высокой удельной энергоемкостью и повышение выходной мощности электрогенератора.
Для реализации указанной технической задачи в портативный автономный электрогенератор, содержащий двигатель внутреннего сгорания, систему подачи топлива, синхронный генератор с постоянными магнитами, систему охлаждения и блок управления, вводят емкостной накопитель электроэнергии, стабилизатор напряжения, инвертор тока и сервопривод управления оборотами двигателя внутреннего сгорания, при этом двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде миниатюрного двухтактного или четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с объемом камеры от 4,0 куб.см до 7,0 куб.см, кинематически связанный с синхронным генератором с постоянными магнитами, выполненным также миниатюрным, выходы которого соединены с выпрямителем, входы емкостного накопителя энергии и стабилизатора связаны с выходами выпрямителя, выход стабилизатора напряжения соединен с входом инвертора тока, выход которого подключен к нагрузке, при этом сервопривод кинематически связан с двигателем внутреннего сгорания, а выходы блока управления соединены со входами сервопривода, синхронного выпрямителя, стабилизатора напряжения и инвертора тока, при этом блок управления содержит блок задания частоты выходного напряжения, подключенного через инвертор тока к нагрузке.
Изобретение поясняется чертежом, где показана функциональная блок-схема автономного портативного электрогенератора. На чертеже обозначены: накопитель 1 электроэнергии, система 2 подачи топлива ДВС 3, кинематическое звено 4, синхронный генератор 5, активный синхронный выпрямитель 6, стабилизатор 7 напряжения, инвертор 8 тока, сервопривод 9 регулировки оборотов ДВС, система 10 контроля и управления.
Работа устройства заключается в следующем.
Во время работы устройства через систему 2 подачи топлива, управляемую сервоприводом 9 регулировки оборотов ДВС, топливо поступает на ДВС 3, обеспечивая рабочую скорость вращения. Создаваемый ДВС 3 крутящий момент через кинематическое звено 4 передается 3-фазному миниатюрному синхронному генератору 5, в обмотках которого наводится переменное ЭДС, с частотой, пропорциональной его полюсности и частоте вращения ротора. Амплитуда наводимого ЭДС пропорциональная частоте вращения ротора синхронного генератора 5. Наводимое 3-фазное напряжение поступает на активный синхронный 3-фазный выпрямитель 6, выход которого подключен к накопителю 1 энергии и стабилизатору 7 напряжения. Стабилизированное напряжение поступает на инвертор 8 тока, который создает эквивалентное переменное напряжение заданной частоты и амплитуды потребителю.
е
В качестве ДВС 3 используется миниатюрный двухтактный или четырехтактный ДВС, а в качестве синхронного генератора 5 - миниатюрный синхронный генератор с постоянными магнитами, с коэффицентом обратного ЭДС (ОЭДС) К в диапазоне 600-1500 об/мин (оптимально 900-1200 об/мин - что дает максимальную удельную энергоемкость), соединенные между собой через клиноременную передачу, представляющую собой кинематическое звено 4.
3
Объем двухтактного или четырехтактного ДВС необходимо выбрать от 4,0 до 7,0 см для получения мощности до 1 кВт, что позволяет увеличить скорости вращения ДВС и синхронного генератора.
3
Используя в конструкции миниатюрного двухтактного или четырехтактных двигателя внутреннего сгорания с объемом камеры сгорания в диапазоне от 4,0 до 7,0 см и номинальной скоростью вращения до 1500 об/мин, миниатюрного синхронного генератора с постоянными магнитами, кинематического звена 4, достигается высокая удельная энергоемкость и повышается выходная мощность электрогенератора.
В качестве миниатюрного синхронного генератора с постоянными магнитами могут быть использованы, например, миниатюрные синхронные генераторы из следующего класса моделей: ModelMotors AXI 5360/20 GOLD L1E; Hyperion HP-Z5045-18; ModelMotors AXI 5345/16 GOLD L1E; ModelMotors AXI 5330/24 GOLD L1E; ModelMotors AXI 5320/24 GOLD L1E.
3
3
Из эксперимента были выявлены условия, обеспечивающие минимальную массу ДВС для достижения максимальной мощности и максимальной энергоемкости, а именно класс миниатюрных ДВС с объемом камеры от 4,0 см до 7,0 см получения мощности до 1 кВт.
Исходя из требований к напряжению на выходе устройства, необходимо подобрать соответствующие размеры шкивов, используемых в кинематическом звене, опираясь на номинальную скорость вращения миниатюрного ДВС для получения большей (порядка 15000 об/мин) скорости вращения коленчатого вала ДВС и увеличения удельной мощности электрогенератора в целом и, соответственно, к продолжительной стабильной работе.
Система управления оборотами ДВС обеспечивает изменение оборотов миниатюрного ДВС в зависимости от управляющих сигналов в систему управления генератором.
После запуска миниатюрного ДВС он выходит на номинальный режим работы, обеспечивающий требуемую мощность на выходе системы. В обмотках миниатюрного синхронного генератора с постоянными магнитами наводится ЭДС, пропорциональная скорости вращения миниатюрного ДВС, которая поступает на управляемый синхронный выпрямитель, построенный по компараторной схеме сравнения напряжения на его выходе и выпрямляемого напряжения. Выпрямленное напряжение поступает на вход стабилизатора напряжения и конденсаторного накопителя электроэнергии. Стабилизатор напряжения поддерживает требуемый уровень напряжения на входе инвертора, который создает на выходе устройства требуемое эквивалентное напряжение. При изменении величины нагрузки система управления вырабатывает сигналы, подаваемые на сервопривод, управляющий скоростью вращения ДВС, обеспечивая требуемую величину мощности на выходе устройства.
Дальнейшую минимизацию массы устройства можно обеспечить совмещением системы управления генератором, выпрямителя и инвертора на одной плате.
Отличие данного изобретения от прототипа и аналогов заключается в том, что размеры миниатюрного ДВС и миниатюрного синхронного генератора с постоянными магнитами существенно отличаются от размеров ДВС и синхронного генератора с постоянными магнитами в прототипах в меньшую сторону. Скорости вращения миниатюрного ДВС и миниатюрного синхронного генератора с постоянными магнитами выше, чем у прототипа и аналогов.
Изобретение может применяться для электропитания бытовых и специализированных устройств в местах, где доступ к электрической сети отсутствует, например в лесу.
Так, например, в радиотехнических системах разнесенные в пространстве, мобильные многопозиционные радиолокаторы характеризуются тем, что приемо-передающие модули расположены на достаточно удаленном расстоянии друг от друга, что создает сложности для их электропитания: разветвленная и протяженная линия электроснабжения, что приводит к ухудшению надежности и скрытности системы. Одним из решений данной задачи может служить портативный малогабаритный электрогенератор, характеризуемый высокой удельной мощностью, что является необходимым для продолжительной и стабильной работоспособности каждого приемо-передающего модуля многопозиционного радиолокатора. Таким образом, использование автономного портативного электрогенератора устраняет недостаток жесткой и протяженной связи электроснабжения с каждым модулем, повышая мобильность, надежность и скрытность системы, скорость ее развертывания, при этом имея хорошие экономические показатели,
Источники информации
1. Патент РФ RU 2256084 С1, МПК F02B 67/04. 2004 г.
2. Патент US 2007/0227470 А1 НКЛ 123/3, 290/1 А, МПК F02B 63/04, опубл. 04.10.2007
3. Патент RU 2033540, МПК F02B 33/04, F02B 61/04, опубл. 1995.
4. Патент RU 2231200, МПК Н02К 21/16, Н02К 1/27, Н02К 29/06, B60L 11/02 от 2001 г.