ЭНЕРГОУСТАНОВКА
POWER PLANT

Изобретение относится к области силовых энергоустановок и может быть использовано для обеспечения энергоснабжения автономных объектов, в том числе и Министерства обороны Российской Федерации.
Из предшествующего уровня развития техники известна дизель-генераторная установка, содержащая первичный двигатель, генератор, аккумуляторную батарею и потребители электрической энергии (см. Гребень И.И. и др. Передвижная дизельная электростанция ПЭС-50. - М.: Гослесбумиздат, 1951, - с. 9, рис. 4 - [1]).
Данная энергоустановка имеет следующие недостатки:
- невозможность обеспечения электроэнергией стандартной частоты и напряжения при кратковременных нагрузках и длительных значительных перегрузках;
- не обеспечиваются электроэнергией электропотребители при неработающем дизельном двигателе (первичном двигателе).
- низкие эффективность и надежность работы на малых нагрузках.
Известна энергоустановка, содержащая первичный двигатель, генератор, аккумуляторную батарею, потребители электрической энергии, преобразователь частоты и напряжения, проводники, связывающие генератор и преобразователь частоты и напряжения, батарею конденсаторов и связи батареи конденсаторов и аккумуляторной батареи с преобразователем частоты и напряжения (Патент РФ на изобретение №2259492 С1 от 08.01.2004 г, МПК: F02D 29/06, F02B 63/04, опубл. 27.08.2005 г., бюл. №24 - [2]).
Данная энергоустановка имеет следующие недостатки:
- ограниченная емкость аккумуляторной батареи и конденсаторной батареи, которые определяются возможностями штатной системы электрооборудования энергоустановки, способна обеспечить работу энергоустановки только при кратковременных значительных перегрузках;
- обеспечение потребителей электроэнергией при длительных перегрузках в ограниченном временном промежутке;
- малая эффективность аккумулирования электроэнергии в низковольтных стартерных батареях;
- малая эффективность работы энергоустановки при малых нагрузках;
- невозможность обеспечения частотного пуска и частотного регулирования динамических электропотребителей на базе электродвигателей и устройств электродвижения.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является энергоустановка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, синхронный генератор, аккумуляторную батарею, потребители электрической энергии, проводники связи двигателя и аккумуляторной батареи, преобразователь частоты и напряжения с проводниками связи с конденсаторной батареей, проводники связи преобразователя частоты и напряжения и аккумуляторной батареи, проводники, связывающие синхронный генератор, преобразователь частоты и напряжения и потребителей, накопительную аккумуляторную батарею, преобразователь частоты электропривода с проводниками связи между ними, проводники, связывающие выход преобразователя частоты электропривода с потребителями, проводники соединяющие вход преобразователя частоты электропривода с синхронным генератором, преобразователем частоты и напряжения и потребителями (Заявка на изобретение №2013131371/06; заявл. 08.07.2013, Российская Федерация, F02B 63/04; опубл. 29.01.2015. Бюл. №2. - [3]).
При несомненных достоинствах данное устройство, взятое за прототип, имеет следующие недостатки:
1). Ограниченные функциональные возможности и область применения, обусловленные отсутствием возможностей по автоматическому управлению подачей электроэнергии потребителям в режимах нормального электропотребления, малой нагрузки, перегрузок, частотного обратимого пуска двигателя внутреннего сгорания, электропитания потребителей с переменной частотой тока и в аварийных режимах, связанных с неисправной работой двигателя внутреннего сгорания и/или синхронного генератора. Данное обстоятельство связано с отсутствием средств, определяющих данные режимы функционирования энергоустановки, а также средств, обеспечивающих подключение потребителей к источнику электроэнергии в этих режимах работы энергоустановки.
2). Низкая эффективность контроля и управления режимами работы энергоустановки, связанная с отсутствием возможностей по автоматическому контролю режимов работы энергоустановки и ее функционирования в данных режимах, в том числе и в аварийных ситуациях.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей, области применения и повышении эффективности работы энергоустановки за счет достижения следующих полезных технических результатов:
- обеспечиваются возможности по автоматическому управлению подачи электроэнергии потребителям в режимах нормального электропотребления, малой нагрузки, перегрузок, частотного обратимого пуска двигателя внутреннего сгорания, электропитания потребителей с переменной частотой тока и в аварийных режимах, связанных с неисправной работой двигателя внутреннего сгорания и/или синхронного генератора;
- обеспечиваются возможности по автоматическому контролю режимов работы энергоустановки и ее функционирования в данных режимах, в том числе и в аварийных ситуациях.
Сущность изобретения, обеспечивающая достижение указанных технических результатов, заключается в следующем.
Энергоустановка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, синхронный генератор, который механически связан с двигателем внутреннего сгорания, аккумуляторную батарею, которая электрически связана с двигателем внутреннего сгорания, преобразователь частоты и напряжения, который электрически связан с аккумуляторной батареей, конденсаторную батарею, которая электрически связана с преобразователем частоты и напряжения, преобразователь частоты электропривода, накопительную аккумуляторную батарею, которая электрически связана с преобразователем частоты электропривода, потребители электроэнергии, дополнительно снабжена блоком управления режимами работы энергоустановки, первым, вторым, третьим и четвертым коммутационными аппаратами, при этом блок управления режимами работы энергоустановки связан каналами связи с аккумуляторной батареей, двигателем внутреннего сгорания, синхронным генератором, преобразователем частоты и напряжения, преобразователем частоты электропривода, накопительной аккумуляторной батареей, первым, вторым, третьем и четвертым коммутационными аппаратами, потребителями электроэнергии, первый вход потребителей электроэнергии электрически связан с синхронным генератором через первый коммутационный аппарат, с преобразователем частоты и напряжения через второй коммутационный аппарат и с преобразователем частоты электропривода через третий коммутационный аппарат, а второй вход потребителей электроэнергии электрически связан с преобразователем частоты электропривода через четвертый коммутационный аппарат.
Обозначенная сущность изобретения связана с достижением заявленных технических результатов следующим образом (соответственно).
1. Введение в энергоустановку блока управления режимами работы энергоустановки, первого, второго, третьего и четвертого коммутационных аппаратов, при этом блок управления режимами работы энергоустановки связан каналами связи с аккумуляторной батареей, двигателем внутреннего сгорания, синхронным генератором, преобразователем частоты и напряжения, преобразователем частоты электропривода, накопительной аккумуляторной батареей, первым, вторым, третьем и четвертым коммутационными аппаратами, потребителями электроэнергии, первый вход потребителей электроэнергии электрически связан с синхронным генератором через первый коммутационный аппарат, с преобразователем частоты и напряжения через второй коммутационный аппарат и с преобразователем частоты электропривода через третий коммутационный аппарат, а второй вход потребителей электроэнергии электрически связан с преобразователем частоты электропривода через четвертый коммутационный аппарат позволяет обеспечить возможности по автоматическому управлению подачей электроэнергии потребителям в режимах нормального электропотребления, малой нагрузки, перегрузок, частотного обратимого пуска двигателя внутреннего сгорания, электропитания потребителей с переменной частотой тока и в аварийных режимах, связанных с неисправной работой двигателя внутреннего сгорания и/или синхронного генератора.
2. Расширение функциональных возможностей, области применения и повышение эффективности работы энергоустановки обеспечиваются возможностями по автоматическому контролю режимов работы энергоустановки и ее функционирования в данных режимах, в том числе и в аварийных ситуациях (см. п. 1).
На чертеже, поясняющем изобретение, представлена структурная схема энергоустановки.
Энергоустановка содержит двигатель внутреннего сгорания (1), синхронный генератор (2), который механически связан с двигателем внутреннего сгорания (1), аккумуляторную батарею (3), которая электрически связана с двигателем внутреннего сгорания (1) посредством сети электропитания постоянного тока, преобразователь частоты и напряжения (4), который электрически связан с аккумуляторной батареей (3) посредством сети электропитания постоянного тока, конденсаторную батарею (5), которая электрически связана с преобразователем частоты и напряжения (4) посредством сети электропитания постоянного тока, преобразователь частоты электропривода (6), накопительную аккумуляторную батарею (7), которая электрически связана с преобразователем частоты электропривода (6) посредством сети электропитания постоянного тока, потребители электроэнергии (8).
Отличительной особенностью энергоустановки является то, что она дополнительно снабжена блоком управления режимами работы энергоустановки (9), первым коммутационным аппаратом (10), вторым коммутационным аппаратом (11), третьим коммутационным аппаратом (12) и четвертым коммутационным аппаратом (13), при этом блок управления режимами работы энергоустановки (9) связан каналами связи с аккумуляторной батарей (3), двигателем внутреннего сгорания (1), синхронным генератором (2), преобразователем частоты и напряжения (4), преобразователем частоты электропривода (6), накопительной аккумуляторной батареей (7), первым коммутационным аппаратом (10), вторым коммутационным аппаратом (11), третьим коммутационным аппаратом (12) и четвертым коммутационными аппаратом (13), потребителями электроэнергии (8), первый вход потребителей электроэнергии (8) электрически связан посредством сети электропитания переменного тока с синхронным генератором (2) через первый коммутационный аппарат (10), с преобразователем частоты и напряжения (4) через второй коммутационный аппарат (11) и с преобразователем частоты электропривода (6) через третий коммутационный аппарат (12), а второй вход потребителей электроэнергии (8) электрически связан посредством сети переменного тока с преобразователем частоты электропривода (6) через четвертый коммутационный аппарат (13).
Двигатель внутреннего сгорания (1) предназначен для преобразования энергии сжигания топлива в механическую энергию и в своем составе имеет измерительные датчики параметров, определяющих режим его работы, например, датчики тока, напряжения и частоты.
Синхронный генератор (2) предназначен для преобразования механической энергии, которая поступает от двигателя внутреннего сгорания посредством муфты, установленной на валах двигателя внутреннего сгорания (1) и синхронного генератора (2), в электрическую энергию и имеет в своем составе измерительные датчики, определяющие режим его работы, например, датчики тока, напряжения и частоты.
Аккумуляторная батарея (3) предназначена для аккумулирования электрической энергии и имеет в своем составе измерительные датчики, определяющие режим ее работы, например, датчики тока, напряжения, и может быть выполнена на базе известных стартерных батарей.
Преобразователь частоты и напряжения (4) предназначен для преобразования электроэнергии переменного тока и постоянного тока в электрическую энергию переменного тока установленной частоты и напряжения, а также преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока и может быть выполнен на базе известных статических преобразователей.
Конденсаторные батареи (5) предназначены для аккумулирования электроэнергии постоянного тока и могут быть выполнены в виде блока конденсаторов, обладающих высокой емкостью.
Преобразователь частоты электропривода (6) предназначен для преобразования электроэнергии переменного тока и постоянного тока в электрическую энергию переменного тока регулируемой частоты, а также преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока и может быть выполнен на базе известных статических преобразователей.
Накопительная аккумуляторная батарея (7) предназначена для аккумулирования электроэнергии постоянного тока, имеет в своем составе измерительные датчики, определяющие режим ее работы, например, датчики тока, напряжения, и может быть выполнена на базе известных герметически необслуживаемых аккумуляторных батарей повышенного напряжения.
Потребители электрической энергии (8) предназначены для потребления электрической энергии стандартной частоты и напряжения, а также переменных частоты и напряжения, необходимых для обеспечения частотного пуска и частотного регулирования динамических электропотребителей на базе электродвигателей, и имеют в своем составе измерительные датчики, определяющие режим их работы, например, датчики тока, напряжения и частоты.
Блок управления режимами работы энергоустановки (9) предназначен для сбора, обработки измерительной информации, поступающей от измерительных датчиков двигателя внутреннего сгорания (1), синхронного генератора (2), аккумуляторной батареи (3), накопительной аккумуляторной батареи (7) и потребителей электроэнергии (8), выбора режима работы энергоустановки путем подачи управляющих сигналов на коммутационные аппараты (10), (11), (12), (13) и управления работой преобразователя частоты и напряжения (4) и преобразователя частоты электропривода (6) путем подачи управляющих сигналов по каналам связи. Он может быть выполнен на базе микропроцессорной техники, например, контроллеров со встроенным источником электропитания.
Коммутационные аппараты (10), (11), (12), (13) предназначены для переключения сетей электропитания переменного тока при поступлении сигналов управления от блока управления режимами работы энергоустановки (9) в зависимости от режимов работы энергоустановки и могут быть выполнены на базе известных автоматических выключателей, переключателей с дистанционным управлением.
Энергоустановка функционирует следующим образом.
Блок управления режимами работы энергоустановки (9) автоматически определяет и обеспечивает следующие режимы работы энергоустановки: режим нормального электропотребления; режим малой нагрузки; режим перегрузок; режим частотного обратимого пуска двигателя внутреннего сгорания; режим электропитания потребителей с переменной частотой тока; аварийные режимы, связанные с неисправной работой двигателя внутреннего сгорания и/или синхронного генератора.
1. Работа энергоустановки в режиме нормального электропотребления.
При включении двигателя внутреннего сгорания (1) он начинает вырабатывать механическую энергию, которая преобразуется в синхронном генераторе (2) в электроэнергию переменного тока. При достижении параметров работы двигателя внутреннего сгорания (1) и генератора (2) номинальных значений под воздействием управляющего сигнала блока управления (9) осуществляется включение коммутационного аппарата (10) и электроэнергия переменного тока поступает от синхронного генератора (2) через включенный коммутационный аппарат (10) к первому входу потребителей электроэнергии (8). В случае, если аккумуляторная батарея (3) и/или накопительная аккумуляторная батарея (7) разряжены, то под воздействием управляющих сигналов блока управления (9) осуществляется включение коммутационного аппарата (11) и/или (12). При этом электроэнергия переменного тока от синхронного генератора (2) поступает через включенные коммутационные аппараты (10) и (11) к преобразователю частоты и напряжения (4) и/или через включенные коммутационные аппараты (10) и (12) к преобразователю частоты электропривода (6). В свою очередь преобразователи (4) и/или (6) начинает вырабатывать электроэнергию постоянного тока и осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи (3), конденсаторной батареи (5) и/или накопительной аккумуляторной батареи (7). В случае окончания заряда аккумуляторной батареи (3) и/или накопительной аккумуляторной батареи (7) под воздействием управляющих сигналов блока управления (9) осуществляется выключение коммутационного аппарата (11) и/или коммутационного аппарата (12). Коммутационный аппарат (13) в этом режиме работы электроустановки отключен.
2. Работа энергоустановки в режиме малой нагрузкой.
В данном режиме при достижении параметров работы энергоустановки, соответствующих режиму малой нагрузки (0-0,2 от номинальной), под воздействием управляющих сигналов с блока управления (9), двигатель внутреннего сгорания (1) останавливается, включается коммутационный аппарат (11) и происходит подача электроэнергии к первому входу потребителей электроэнергии (8) от аккумуляторной батареи (3) и конденсаторной батареи (5) через преобразователь частоты и напряжения (4) и включенный коммутационный аппарат (11). При разряде аккумуляторной батареи (3) под воздействием управляющего сигнала с блока управления (9) двигатель внутреннего сгорания (1) включается в работу и осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи (3) от синхронного генератора (2) через включенные коммутационные аппараты (10) и (11) посредством преобразователя напряжения и частоты (4). В случае окончания заряда аккумуляторной батареи (3) под воздействием управляющего сигнала блока управления (9) двигатель внутреннего сгорания (1) останавливается. Коммутационные аппараты (12), (13) в этом режиме работы энергоустановки отключены.
3. Работа энергоустановки в режиме перегрузок.
В данном режиме при достижении параметров работы энергоустановки, соответствующих режиму перегрузки, под воздействием управляющих сигналов с блока управления (9) включается коммутационный аппарат (13) и на второй вход потребителей электроэнергии (8) поступает электроэнергия от накопительной аккумуляторной батареи (7) посредством преобразователя частоты электропривода (6) через включенный коммутационной аппарат (13). Одновременно на первый вход потребителей электроэнергии (8) поступает электроэнергия переменного тока от силового генератора (2). В данном режиме работы энергоустановки коммутационные аппараты (11) и (12) отключены.
4. Работа энергоустановки в режиме частотного обратимого пуска двигателя внутреннего сгорания.
В данном режиме на основе информации о невозможности запуска двигателя внутреннего сгорания (1) в штатном режиме под воздействием управляющих сигналов с блока управления (9) включаются коммутационные аппараты (10), (12) и электропитание с возрастающей частотой подается к синхронному генератору (2) от накопительной аккумуляторной батареи (7) посредством преобразователя частоты электропривода (6). При наличии на двигателе электростартера (системы электростартерного пуска) последний на период запуска двигателя, также, может подключаться к аккумуляторной батареи (3) одновременно с подключением преобразователя частоты электропривода (6), что может обеспечить более благоприятные условия частотного обратимого пуска двигателя (1).
5. Работа энергоустановки в режиме электропитания потребителей с переменной частотой тока.
В данном режиме на основе информации о необходимости электропитания потребителей с переменной частотой тока под воздействием управляющих сигналов с блока управления (9) включается коммутационный аппарат (13) и электропитание переменной частоты подается ко второму входу потребителей электроэнергии (8) от накопительной аккумуляторной батареи (7) посредством преобразователя частоты электропривода (6). При этом коммутационные аппараты (10), (11), (12) отключены.
При наличии потребителей, требующих электроэнергию переменного тока стандартной частоты, под воздействием управляющего сигнала с блока управления (9) включается коммутационный аппарат (10) и электропитание подается на первый вход потребителей электроэнергии (8) от силового генератора (2) через включенный коммутационный аппарат (10).
6. Работа электроустановки в аварийных режимах, связанных с неисправной работой двигателя внутреннего сгорания и/или генератора.
В данных режимах при достижении параметров двигателя внутреннего сгорания (1) и/или генератора (2), соответствующих их неисправной работе, под воздействием управляющих сигналов с блока управления (9) двигатель внутреннего сгорания (1) останавливается, включаются коммутационные аппараты (11), (13) и происходит подача электроэнергии к первому входу электропотребителей электроэнергии (8) от аккумуляторной батареи (3) и конденсаторной батареи (5) через преобразователь частоты и напряжения (4) и включенный коммутационный аппарат (11) и ко второму входу электропотребителей электроэнергии (8) от накопительной аккумуляторной батареи (7) через преобразователь частоты электропривода (6) и включенный коммутационный аппарат (13). При этом коммутационные аппараты (10), (12) отключены.
Таким образом, предлагаемая энергоустановка позволяет расширить функциональные возможности, область применения и повысить эффективность работы энергоустановки за счет обеспечения возможностей по автоматическому контролю режимов работы энергоустановки и ее функционирования в данных режимах, в том числе и в аварийных ситуациях.
Источники информации:
1. Гребень И.И. и др. Передвижная дизельная электростанция ПЭС-50. - М.: Госмелбумиздат, 195I. с. 9, рис. 4.
2. Патент №2259492 С1, Российская Федерация, МПК F02D 29/06, F02B 63/04. Способ работы силовой установки на электропотребителей и устройство для его осуществления [Текст] / Прутчиков И.О., Камлюк В.В. и др.; заявитель и патентообладатель. - Военный инженерно-технический университет, №2004100653/06; заявл. 08.01.2004; опубл. 27.08.2005. Бюл. №24.
3. Заявка на изобретение №2013131371/06; заявл. 08.07.2013, Российская Федерация, F02B 63/04. Способ работы силовой установки на электропотребителей и устройство для его осуществления [Текст] / Маккавеев А.В., Прутчиков И.О., Камлюк В.В. и др.; заявитель. - Маккавеев А.В.; опубл. 29.01.2015. Бюл. №2.