ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
POWER PLANT BASED ON FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к автономным энергоустановкам на топливных элементах.
Известно устройство для запуска генератора на топливных элементах транспортного средства (патент США 6815100, МПК H01M 8/00, 04.06.2001), содержащее генератор на топливных элементах, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, датчики напряжения и тока, инвертор и управляющий блок. Недостатком устройства является наличие большого числа преобразователей, обеспечивающих совместную работу генератора и блока аккумуляторных батарей, а также необходимость постоянного питания управляющего блока от аккумуляторных батарей.
Известна энергоустановка на основе топливных элементов и метод ее остановки (патент США 6893758, МПК H01M 8/04, 17.05.2005), содержащая генератор на топливных элементах, аккумуляторную батарею, управляющий блок, коммутационные элементы на переключение и замыкание и нагрузку. Недостаток энергоустановки заключается в необходимости автономного источника бесперебойного питания для управляющего блока, а также в перерывах и скачках напряжения на нагрузке при переводе ее питания от батареи на генератор и обратно.
За прототип взята энергоустановка на топливных элементах (патент США № 2006/0280977, МПК H01M 8/04, 2006) включающая в себя генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, подключенный к системе автоматического управления и контроля, аккумуляторную батарею, зарядное устройство, выполненное на преобразователе DC-DC, и коммутационные элементы, причем выход генератора через первый коммутационный элемент соединен с входом инвертора и со вторым коммутационным элементом, к выходу которого подключен вход преобразователя DC-DC.
Недостатком энергоустановки является необходимость постоянной работы аккумуляторной батареи на весь период функционирования энергоустановки, что предъявляет к батарее повышенные требования по энергоемкости, увеличивает ее габариты, вес и стоимость.
Предлагаемая энергоустановка позволяет минимизировать число преобразователей, необходимое для совместной работы аккумуляторной батареи и генератора на топливных элементах, обеспечить бесперебойное питание системы автоматического управления и контроля, облегчить режим работы блока аккумуляторных батарей.
Энергоустановка, схема которой представлена на чертеже, содержит генератор на топливных элементах 1, инвертор 2, датчик выходного напряжения генератора 3, подключенный к входу системы автоматического управления и контроля 4, блок аккумуляторных батарей 5, зарядное устройство 6, три контактора 7, 8, 9 с соответствующими группами нормально разомкнутых контактов 10, 11, 12. Входы контактов 10, 11 подключены соответственно к выходам генератора 1 и блока 5. Контакты 12 включены между выходом инвертора 2 и внешней нагрузкой 13. В энергоустановку введены два диода Шоттки 14, 15, кнопка включения энергоустановки 16, три коммутационных элемента на замыкание 17, 18, 19 и один на размыкание 20. Контактор 8 дополнительно снабжен группой нормально замкнутых контактов 21 и вспомогательным нормально разомкнутым контактом 22. Аноды диодов Шоттки 14, 15 подключены к выходам контактов 10, 11, а объединенные катоды - к входу инвертора 2, с выходом которого соединен питающий вход системы автоматического управления и контроля 4, зарядное устройство 6 и потребители собственных нужд энергоустановки (электромагнитные клапаны, нагнетатели, насосы, вентиляторы, датчики и т.д.) 23, а через первый 17 и третий 19 коммутационные элементы - контакторы (управляющие катушки) 7 и 9. Блок аккумуляторных батарей 5 через нормально замкнутые контакты 21 контактора 8 подключен к выходу зарядного устройства 6, а через параллельно-последовательно соединенные кнопку 16, контакт 22, второй коммутационный элемент 18 и четвертый коммутационный элемент на размыкание 20 - к управляющей катушке контактора 8. Управляющие входы всех коммутационных элементов 17, 18, 19, 20 и потребителей собственных нужд 23 связаны с выходами системы 4.
Работа энергоустановки происходит следующим образом.
В режиме ввода энергоустановки из холодного состояния в рабочее кратковременно замыкается кнопка 16. При этом срабатывает и самоблокируется через собственный контакт 22 контактор 8. Через замкнувшиеся основные контакты 11 и диод 15 блок аккумуляторных батарей 5 подключается к входу инвертора 2, на выходе которого появляется переменное напряжение 220 В 50 Гц. Одновременно с этим контактами 21 блок 5 отключается от выхода зарядного устройства 6. Выходное напряжение инвертора 2 поступает на питающий вход системы автоматического управления и контроля 4, на зарядное устройство 6, на потребители собственных нужд 23 энергоустановки и через коммутационные элементы 17, 19 на управляющие катушки контакторов 7, 9. В результате система 4 в соответствии с заданным алгоритмом осуществляет подготовку перевода энергоустановки из холодного состояния в рабочее.
При появлении на выходе генератора 1 напряжения заданной величины датчик 3 информирует систему 4 о готовности энергоустановки к переводу в рабочее состояние. Система 4 замыкает элемент 17, запитывая катушку контактора 7. Через замкнувшиеся контакты 10 напряжение генератора 1 прикладывается к аноду диода 14. После этого от системы 4 посредством кратковременного размыкания элемента 20 формируется сигнал на отключение контактора 8. При этом выход блока 5 отключается от входа инвертора 2 и подключается к выходу зарядного устройства 6, обеспечивающего его подзаряд. Переход к питанию энергоустановки от генератора 1 осуществляется без перерывов и скачков напряжения на выходе инвертора 2. Подключение внешней нагрузки 13 осуществляется посредством включения через элемент 19 по сигналу от системы 4 контактора 9 и замыкания его контактов 12.
При выводе энергоустановки из рабочего состояния под действием системы 4 размыкается элемент 19, обесточивается контактор 9 и контактами 12 отключается нагрузка 13. После этого система 4 кратковременно замыкает элемент 18, запитывающий контактор 8, который, в свою очередь, осуществляет повторное подключение блока 5 к входу инвертора 2. Затем система 4 с помощью элемента 17 обесточивает контактор 7, который контактами 10 отключает генератор 1 от входа инвертора 2. По заданному алгоритму система 4 осуществляет постепенный вывод энергоустановки из рабочего состояния в холодное. По окончании выхода генератора 1 из рабочего состояния система 4 кратковременным размыканием элемента 20 отключает контактор 8 и полностью обесточивает энергоустановку.
Использование в качестве развязывающих элементов диодов Шоттки 14, 15, обладающих низким падением напряжения в прямом направлении, позволяет минимизировать потери мощности.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает надежность энергоустановки, обеспечивая бесперебойное и качественное питание всех элементов энергоустановки во всех режимах ее работы. Содержащийся в энергоустановке блок аккумуляторных батарей используется только в режимах ввода в рабочее и вывода из рабочего состояния. Подзаряд блока аккумуляторных батарей осуществляется от генератора топливных элементов в рабочем режиме. Тем самым обеспечивается наиболее экономичный режим эксплуатации блока аккумуляторных батарей, позволяющий снизить требования по емкости, габаритам и весу установки в целом.