Автономная электростанция переменного тока

Решение 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 RU 2412513 C1, МПК Н02J 3/34, 2010 г., авторы Дарьенков А.Б., Хватов О.С.), 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 массогабаритных показателей автономной электростанции.
Решаемая задача – создание высокоэффективной автономной электростанции переменного тока.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение КПД и улучшение массогабаритных показателей автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации выходного напряжения автономной электростанции, 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, 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, синхронный генератор выполнен многообмоточным, между обмотками статора синхронного генератора и управляемым выпрямителем включен коммутатор, а повышающий трансформатор исключен.
Выполнение синхронного генератора многобмоточным, включение между обмотками статора синхронного генератора и управляемым выпрямителем коммутатора, а также исключение повышающего трансформатора выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как повышает КПД и улучшает массогабаритные показатели автономной электростанции переменной частоты вращения при условии стабилизации ее выходного напряжения и минимизации потребления топлива ДВС, входящим в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения его вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Сущность решения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства.
Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1, многообмоточный синхронный генератор 2, коммутатор 3, преобразователь частоты, включающий в свой состав управляемый выпрямитель 4, конденсаторную батарею 5, датчик 6 тока, инвертор напряжения 7 с выходными выводами 8. К ДВС 1 подключены регулятор 9 частоты вращения вала ДВС 1, датчик 10 частоты вращения вала ДВС 1 и сумматор сигналов 11, входящие в блок 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, сюда же входит блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Вход коммутатора 3 соединен с датчиком 10 частоты вращения вала ДВС 1. Блок 14 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с выводами 15 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 и с выходом блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1. Блок 16 стабилизации напряжения, состоящий из задатчика 17 напряжения, сумматора сигналов 18 и регулятора напряжения 19, соединен с выходом датчика 20 напряжения, с которым соединен также блок 14 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2. Вход блока 13 соединен с блоком 21 вычисления мощности нагрузки. Выход задатчика 22 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 7.
Устройство работает следующим образом.
Блок 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 получает сигнал с блока 21 вычисления мощности нагрузки, который соединен с выходами датчика 20 напряжения и датчика 6 тока, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя 4. В зависимости от значения мощности нагрузки блок 13 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 11 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 от блока 13 и сигнала датчика 10 частоты вращения вала ДВС 1. Сигнал от сумматора сигналов 11 поступает на вход регулятора 9 частоты вращения вала ДВС 1, который поддерживает частоту вращения вала ДВС 1 на уровне, заданном блоком 13. Таким образом, при изменении мощности нагрузки на выходных выводах 8, 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.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на выходных выводах 8 осуществляется следующим образом.
Коммутатор 3 обеспечивает подключение выводов обмоток статора многообмоточного синхронного генератора 2 к управляемому выпрямителю 4 в зависимости от выходного сигнала датчика 10 частоты вращения вала ДВС 1. Управляемый выпрямитель 4 преобразует переменное напряжение подключенной коммутатором 3 обмотки статора многообмоточного синхронного генератора 2 в постоянное напряжение. Стабилизация выходного напряжения управляемого выпрямителя 4 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 16 стабилизации напряжения, в состав которого входит регулятор напряжения 19, вход которого подключен к сумматору сигналов 18, на входы которого поступают сигналы с задатчика 17 напряжения и с датчика 20 напряжения. Для сглаживания выходного напряжения управляемого выпрямителя 4 на его выходе включена конденсаторная батарея 5, которая необходима также для работы инвертора напряжения 7. 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 7 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 соединенного с ним синхронного генератора 2, будут меняться в широком диапазоне. Однако за счет того что синхронный генератор 2 выполнен многообмоточным, обмотки статора которого переключаются с помощью коммутатора 3, диапазон изменения амплитуды напряжения уменьшается в несколько раз. Это достигается тем, что при уменьшении частоты вращения вала ДВС 1 до определенного порогового значения коммутатор 3 подключает к управляемому выпрямителю 4 обмотки статора многообмоточного синхронного генератора 2 с большим числом витков, что обеспечивает увеличение амплитуды напряжения на входе управляемого выпрямителя 4. Количество пороговых значений частоты вращения вала ДВС 1, при которых происходит переключение коммутатора 3, задается на этапе разработки автономной электростанции исходя из условия уменьшения диапазона изменения амплитуды напряжения при  изменении частоты вращения вала ДВС. Таким образом, входное напряжение управляемого выпрямителя 4 будет меняться в заданном узком диапазоне. Задавая с помощью задатчика 17 напряжения величину выходного напряжения управляемого выпрямителя 4, на выходных выводах 8 получим переменное трехфазное напряжение, амплитуда которого меньше номинального значения напряжения многообмоточного синхронного генератора 2 на величину диапазона изменения напряжения на выходе коммутатора 3. Блок 14 возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 15 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения многообмоточного синхронного генератора 2 с учетом сигнала от блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС 1 и от датчика 20 напряжения.
Таким образом, при изменении частоты вращения вала ДВС 1 амплитуда переменного трехфазного напряжения на выходных выводах 8 поддерживается на уровне, задаваемом блоком задатчика 17 напряжения.
Частота выходного трехфазного напряжения на выходных выводах 8 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора 7 на уровне, задаваемом задатчиком 22 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.