Устройство пуска дизель-генератора
DIESEL GENERATOR STARTER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для запуска дизель-генератора транспортного средства.
Известна система запуска дизеля тепловоза, содержащая аккумуляторную батарею, устройство отключения аккумуляторной батареи от бортовой сети тепловоза, тяговый генератор, штатные пусковые контакторы с замыкающими контактами, через которые напряжение при запуске поступает на тяговый генератор, импульсный конденсатор, в цепь заряда которого включены контактор заряда и резистор. Конденсатор подключен параллельно к тяговому генератору через диод, а параллельно ему подключено реле зарядки, которое обеспечивает двухступенчатую систему запуска дизеля от предварительно заряженного импульсного конденсатора, а затем от аккумуляторной батареи (RU, патент №94522 U1, МПК B60L 11/06, F02N 11/08, опубл. 27.05.2010 г.).
Недостатком известной системы запуска является то, что пуск дизеля возможно осуществлять только от полностью заряженной аккумуляторной батареи посредством стартер-генератора.
Известна система электропитания транспортного средства, содержащая аккумуляторную батарею и накопитель энергии, модуль управления и контроля системы электропитания, модуль преобразования напряжения модуль силовой коммутации для коммутации силовых цепей постоянного тока, зарядное устройство, предназначенное для подзаряда аккумуляторной батареи и накопителя энергии, выполненного в виде электрохимического конденсатора (RU, патент №2520180, МПК F02N 11/08, опубл. 20.06. 2014 г.).
Недостатком известной системы электропитания транспортного средства является использование вспомогательной силовой установки для пуска дизель-генератора, что приводит к увеличению массогабаритных показателей.
Известна система инверторного запуска дизель-генератора, принятая за прототип, которая включает в себя аккумуляторную батарею, накопительно-повышающий преобразователь, содержащий повышающий преобразователь постоянного тока и конденсаторный накопитель энергии на базе суперконденсаторов, пусковой инвертор и силовой модуль для питания обмотки возбуждения синхронной машины (Н.В. Анищенко, И.О. Тукалов, Г.И. Яровой, Р.В. Канунников, Ж. «Электротехнические и компьютерные системы» №15 (91), 2014 г., стр. 212-214).
Недостатком известной системы инверторного запуска дизель-генератора является то, что конденсаторный накопитель энергии на базе суперконденсаторов имеет большие массогабаритные показатели.
Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных показателей за счет исключения из устройства пуска дизель-генератора конденсаторного накопителя энергии и использование повышающего/понижающего преобразователя напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство пуска дизель-генератора, включающее аккумуляторную батарею, подключенную через контактор к первой фильтрующей емкости, к первому датчику напряжения и к регулятору тока возбуждения, состоящего из транзистора, шунтированного обратным диодом и последовательно соединенного с диодом, дизель-генераторную установку, содержащую синхронный генератор с обмоткой возбуждения и дизель, трехфазный инвертор напряжения, систему управления, при этом выход регулятора тока возбуждения через датчик тока возбуждения подключен к обмотке возбуждения синхронного генератора, силовые входы которого соединены с выходами/входами трехфазного инвертора напряжения, содержащего три идентичных фазных ячейки, каждая из которых содержит два последовательно соединенных транзистора, шунтированных обратными диодами, точки соединения которых являются соответствующими фазными выходами/входами трехфазного инвертора напряжения, а параллельно включенные фазные ячейки соответственно образуют положительный и отрицательный входы/выходы трехфазного инвертора напряжения, которые шунтированы второй фильтрующей емкостью и вторым датчиком напряжения, устройство также снабжено повышающим/понижающим преобразователем напряжения, включенным между положительным и отрицательным входами/выходами трехфазного инвертора напряжения и входом регулятора тока возбуждения и состоящего из N параллельно включенных ячеек напряжения, каждая из которых содержит два последовательно соединенных транзистора, шунтированных обратными диодами и к точкам соединения которых подключены последовательно включенные дроссель и входной датчика тока, которые образуют вход/выход повышающего/понижающего преобразователя напряжения, при этом информационные сигналы с входных датчиков тока, датчика тока возбуждения, первого и второго датчиков напряжения поступают на входы системы управления, которая формирует сигналы управления регулятором тока возбуждения, повышающим/понижающим преобразователем напряжения и трехфазным инвертором напряжения.
На фигуре представлена блок-схема устройства пуска дизель-генератора.
Устройство пуска дизель-генератора, содержит аккумуляторную батарею 1, подключенную через контактор 2 к первой фильтрующей емкости 3, к первому датчику 4 напряжения и к регулятору 5 тока возбуждения, дизель-генераторную установку 6, содержащую синхронный генератор 6.1 с обмоткой возбуждения 6.1.1 и дизель 6.2, трехфазный инвертор 7 напряжения, систему управления 8. Регулятор 5 тока возбуждения состоит из транзистора 5.1, шунтированного обратным диодом 5.2 и последовательно соединенного с диодом 5.3 и выходом через датчик 9 тока возбуждения подключенного к обмотке возбуждения 6.1.1 синхронного генератора 6.1, силовые входы А, В, С которого соединены с выходами/входами трехфазного инвертора 7 напряжения, содержащего три идентичных фазных ячейки 7.1, …, 7.3, каждая из которых содержит два последовательно соединенных транзистора 7.1.1 и 7.1.2, …, 7.3.1 и 7.3.2, шунтированных обратными диодами 7.1.3 и 7.1.4, …, 7.3.3 и 7.3.4, точки соединения которых являются соответствующими фазными выходами/входами трехфазного инвертора 7 напряжения, а параллельно включенные фазные ячейки 7.1, …, 7.3 соответственно образуют положительный и отрицательный входы/выходы трехфазного инвертора 7 напряжения, которые шунтированы второй фильтрующей емкостью 10 и вторым датчиком 11 напряжения. Устройство также снабжено повышающим/понижающим преобразователем 12 напряжения, включенным между положительным и отрицательным входами/выходами трехфазного инвертора 7 напряжения и входом регулятора 5 тока возбуждения и состоящего из N параллельно включенных ячеек напряжения 12.1, …, 12.N, каждая из которых содержит два последовательно соединенных транзистора 12.1.1 и 12.1.2, …, 12.N.1 и 12.N.2, шунтированных обратными диодами 12.1.3 и 12.1.4, …, 12.N.3 и 12.N.4, к точкам соединения которых подключены последовательно включенные дроссели 12.1.5, …, 12.N.5 и входные датчики 12.1.6, …, 12.N.6 тока, которые образуют входы/выходы повышающего/понижающего преобразователя 12 напряжения, при этом информационные сигналы с входных датчиков 12.1.6, … 12.N.6 тока, датчика 9 тока возбуждения, первого 4 и второго 11 датчиков напряжения поступают на входы системы управления 8, которая формирует сигналы управления регулятором 5 тока возбуждения, повышающим/понижающим преобразователем 12 напряжения и трехфазным инвертором 7 напряжения.
Транзисторы 7.1.1 и 7.1.2, …, 7.3.1 и 7.3.2, шунтированные обратными диодами 7.1.3 и 7.1.4, …, 7.3.3 и 7.3.4, трехфазного инвертора 7 напряжения и транзисторы 12.1.1 и 12.1.2, …, 12.N.1 и 12.N.2, шунтированные обратными диодами 12.1.3 и 12.1.4, …, 12.N.3 и 12.N.4 повышающего/понижающего преобразователя 12 напряжения представляют собой IGBT - модули. Первая и вторая фильтрующие емкости 3 и 10 предназначены для сглаживания пульсаций напряжения, сформированного повышающим/понижающим преобразователем 12 напряжения. Ячейки напряжения 12.1, …, 12.N работают со сдвигом по фазе на угол 360°/N для снижения пульсаций тока, потребляемого от аккумуляторной батареи 1 в режиме запуска дизель-генераторной установки 6 и снижения пульсаций тока возбуждения синхронного генератора 6.1 при работе его в штатном режиме. Количество ячеек напряжения 12.1 … 12.N зависит от допустимой величины пульсаций тока потребления повышающим/понижающим преобразователем 12 напряжения.
Устройство пуска дизель-генератора работает следующим образом.
При включении контактора 2, напряжение аккумуляторной батареи 1 одновременно прикладывается к регулятору 5 тока возбуждения и к повышающему/понижающему преобразователю 12 напряжения. Система управления 8 управляет транзистором 5.1 регулятора 5 тока возбуждения в режиме широтно-импульсной модуляции и поддерживает заданный ток в обмотке возбуждения 6.1.1 синхронного генератора 6.1 путем сравнения его с текущим значением, поступающим от датчика 9 тока возбуждения. При выключении транзистора 5.1 ток обмотки возбуждения 6.1 замыкается через диод 5.3. Одновременно система управления 8 включает повышающий/понижающий преобразователь 12 напряжения в режиме повышения напряжения. Каждая ячейка напряжения 12.1, …, 12.N включается/выключается со сдвигом по фазе на угол 360°/N, поддерживая на выходе заданное напряжение.
При работе в режиме повышения напряжения система управления 8 последовательно включает транзисторы 12.1.2, …, 12.N.2, которые коротят соответствующие дроссели 12.1.5, …, 12.N.5, при этом при выключении транзисторов на выходе каждого дросселя 12.1.5, …, 12.N.5 возникает повышенное напряжение:
U=-L di/dt,
где: L - индуктивность дросселя каждой ячейки напряжения;
di/dt - производная тока дросселя.
Напряжения каждого дросселя 12.1.5, …, 12.N.5 через обратные диоды 12.1.3, …, 12.N.3 заряжают вторую фильтрующую емкость 10. Изменяя время включения транзисторов 12.1.2, …, 12.N.2, система управления 8 регулирует напряжение на выходе повышающего/понижающего преобразователя 12 напряжения, контроль которого осуществляется вторым датчиком 11 напряжения. После заряда второй фильтрующей емкости 10 до заданного значения, система управления 8 включает трехфазный инвертор 7 напряжения, переключая транзисторы 7.1.1 и 7.1.2, …, 7.3.1 и 7.3.2 в соответствии с алгоритмом синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), реализуя при этом режим инвертирования. На выходе трехфазного инвертора 7 напряжения формируется трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды, которое поступает на силовые входы А, В, С синхронного генератора 6.1, который начинает работать в двигательном режиме и прокручивает механически связанный с ним вал дизеля 6.2. После запуска дизеля 6.2 генератор 6.1 начинает работать в штатном режиме, вырабатывая трехфазное переменное напряжение. Система управления 8 выключает трехфазный инвертор 7 напряжения и включает повышающий/понижающий преобразователь 12 напряжения в режим понижения напряжения. Трехфазное переменное напряжение с выхода синхронного генератора 6.1 обратными диодами 7.1.3 и 7.1.4, …, 7.3.3 и 7.3.4 трехфазного инвертора 7 напряжения преобразуется в постоянное напряжение (режим выпрямления), которое заряжает вторую фильтрующую емкость 10 и поступает на вход повышающего/понижающего преобразователя 12 напряжения. Система управления 8 включает/выключает транзисторы 12.1.1, …, 12.N.1 каждой ячейки напряжения 12.1, …, 12.N со сдвигом по фазе на угол 360°/N. При выключении транзисторов 12.1.1, …, 12.N.1 токи дросселей 12.1.5, … 12.N.5 замыкаются через обратные диоды 12.1.4, …, 12.N.4. Изменяя время включения/выключения транзисторов 12.1.1, … 12.N.1, система управления 8 формирует заданное значение напряжения на выходе повышающего/понижающего преобразователя 12 напряжения. Пониженное напряжение контролируется первым датчиком 4 напряжения и поступает на вход регулятора 5 тока возбуждения, который предварительно отключают от аккумуляторной батареи 1 контактором 2. Одновременно управляя повышающим/понижающим преобразователем 12 напряжения и регулятором тока 5 возбуждения, система управления 8 поддерживает необходимый ток возбуждения синхронного генератора 6.1 при его работе в штатном режиме.
Заявленный технический результат достигается за счет исключения из устройства конденсаторного накопителя энергии на базе суперконденсаторов, массогабаритные показатели которого соизмеримы с аккумуляторной батареей. Кроме этого, использование одних и тех же дросселей 12.1.5, …, 12.N.5 в ячейках напряжения 12.1, …, 12.N в повышающем/понижающем преобразователе 12 напряжения для повышения и понижения входного/выходного напряжений также снижает массогабаритные показатели устройства пуска дизель-генератора.
Предлагаемое устройство пуска дизель-генератора испытано в составе ДГУ18-9ДГМ и показало свою надежность и эффективность.