Автономная электростанция переменного тока
AUTONOMOUS AC POWER PLANT

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и синхронного генератора, и предназначено для генерирования электроэнергии стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной частоте вращения вала ДВС.
Известно устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Пат. на изобретение 2412513, Российская Федерация, МПК H 02 J 3/34. Автономная электростанция переменного тока / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов. - № 2010101194/07; заявл. 15.01.2010; опубл. 20.02.2011, Бюл. №5.), 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, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком  задания экономичной частоты вращения вала ДВС, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор. Недостатком устройства является наличие повышающего трансформатора, что приводит к снижению КПД и ухудшению массо-габаритных показателей автономной электростанции.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для генерирования электрической энергии переменного напряжения (Пат. на полезную модель 168615, Российская  Федерация, МПК H02P 9/48.  Автономная электростанция переменного тока / А.Б. Дарьенков, С.А. Гузев. - № 2016118233; заявл. 11.05.2016, опубл. 13.02.2017, Бюл. № 5.), 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, многообмоточный синхронный генератор, коммутатор, управляемый выпрямитель, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком  задания экономичной частоты вращения вала ДВС. Недостатком устройства является наличие коммутатора, что приводит к снижению КПД электростанции.
Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации выходного напряжения автономной электростанции и 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 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, многообмоточный синхронный генератор, коммутатор, управляемый выпрямитель, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, коммутатор и последовательно соединенный с ним управляемый выпрямитель исключены, а между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения включены управляемые выпрямители, которые соединены с блоком управления выпрямителями, подключенным к выходу датчика  частоты вращения вала ДВС.
Исключение коммутатора, а также включение между выходами групп обмоток многообмоточного синхронного генератора и инвертором напряжения управляемых выпрямителей выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как повышает КПД автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации ее выходного напряжения и 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 (фиг. 1), где показана функциональная схема устройства.
1
N
1
N
Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1, многообмоточный синхронный генератор 2, на выходах групп обмоток которого включены управляемые выпрямители 3 – 3, соединенные с входом инвертора напряжения 4, к выходу которого подключен датчик 5 тока с выходными выводами 6. К ДВС 1 подключены регулятор 7 частоты вращения вала ДВС 1, датчик 8 частоты вращения вала ДВС 1 и сумматор сигналов 9, входящие в блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, сюда же входит блок 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 12 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с выводами 13 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2, а также с выходом блока 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и выходом датчика 5 тока. Входы управляемых выпрямителей 3 – 3 соединены с блоком 14 управления выпрямителями, который подключен к выходу датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1. Выход задатчика 15 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 4.
Устройство работает следующим образом.
Блок 10 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 получает сигнал с датчика 5 тока, измеряющего ток на выходе инвертора напряжения 4. В зависимости от значения тока на выходе инвертора напряжения 4, пропорционального мощности нагрузки, блок 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. С помощью сумматора сигналов 9 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 11 и сигнала датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора сигналов 9 поступает на вход регулятора 7 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 11. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 6, 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 многообмоточного синхронного генератора 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
1
2
N
Подключение выводов групп обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 к инвертору напряжения 4 осуществляется управляемыми выпрямителями 3, 3 или 3 путем подачи управляющих импульсов на полупроводниковые ключи от блока 14 управления выпрямителями в зависимости от выходного сигнала датчика 8 частоты вращения вала ДВС 1.
1
N
1
N
Управляемые выпрямители 3 – 3 преобразуют переменное напряжение групп обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 в постоянное напряжение. Выходное напряжение управляемых выпрямителей 3 – 3 преобразуется с помощью инвертора напряжения 4 в переменное напряжение синусоидальной формы.
При изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения частота вращения вала ДВС 1, а, следовательно, и амплитуда напряжения соединенного с ним многообмоточного синхронного генератора 2 будут меняться в широком диапазоне.  Изменение частоты вращения вала ДВС 1 в зависимости от мощности нагрузки с помощью блока 11 происходит ступенчато.
1
2
N
При уменьшении частоты вращения ДВС 1 блок 14 путем подачи управляющих импульсов на полупроводниковые ключи управляемых выпрямителей 3, 3 или 3 подключает вход инвертора напряжения 4 к группе обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 с бóльшим числом витков, что обеспечивает поддержание амплитуды напряжения на входе инвертора 4 на одном уровне. Количество возможных ступеней частоты вращения вала ДВС 1 задается на этапе разработки автономной электростанции, исходя из условий оптимизации потребления топлива.
Блок 12 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 13 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с учетом сигнала от блока 11 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и от датчика 5 тока.
Частота выходного трехфазного напряжения на выходных выводах 6 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора напряжения 4 на уровне, задаваемом задатчиком 15 частоты 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.