АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным электростанциям, вырабатывающим электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной скорости вращения первичного двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Полезная модель может найти применение, например, для автономного или резервного питания потребителей электроэнергии в тех районах, где централизованное электропитание отсутствует или недостаточно надежно.
Уровень техники
Известна устройство, вырабатывающее электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения, содержащее первичный двигатель, снабженный регулятором скорости вращения, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора, датчик выходной активной мощности, датчик скорости вращения первичного двигателя и микропроцессорную систему управления, к соответствующим входам которой подключены выходы указанных датчиков, снабженную выходом, подключенным к входу регулятора скорости вращения первичного двигателя [1].
Недостаток устройства [1] - повышенный расход топлива из-за потерь в преобразователе частоты при нагрузке, близкой к номинальной.
Известна автономная электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания, установленный на его валу синхронный генератор, преобразователь частоты на выходе синхронного генератора и управляемый коммутатор, включенный между выходами синхронного генератора и преобразователя частоты [2]. Недостаток устройства [2] - повышенный расход топлива, связанный с отсутствием средств оптимального выбора скорости вращения первичного двигателя при пониженной нагрузке.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - снизить расход топлива при меняющейся в широких пределах нагрузке электростанции.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, состоит в экономии топлива при меняющейся в широких пределах нагрузке, как за счет оптимизации скорости вращения первичного двигателя, так и за счет исключения потерь в преобразователе.
н
н
н
Предметом полезной модели является автономная электростанция, содержащая первичный двигатель, снабженный регулятором скорости вращения, синхронный генератор, приводимый во вращение первичным двигателем, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора, коммутатор, шунтирующий преобразователь частоты, датчик скорости вращения первичного двигателя, датчик выходной активной мощности Р и микропроцессорную систему управления, к соответствующим входам которой подключены выходы указанных датчиков, выполненную с возможностью формирования на первом ее выходе, подключенном к управляющему входу коммутатора, и втором ее выходе, подключенном к входу регулятора скорости вращения первичного двигателя, управляющих сигналов в функции мощности Р, при этом в диапазоне Р<kР формируются на первом выходе микропроцессорной системы управления отключающий сигнал, на втором ее выходе сигнал, соответствующий оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения первичного двигателя от его мощности, а в диапазоне Р>kР формируются на первом выходе микропроцессорной системы управления - включающий сигнал, на втором ее выходе - сигнал, соответствующий номинальной скорости вращения первичного двигателя, где Р - номинальная мощность первичного двигателя, k - меньше или равно 1.
Эта совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу и получить указанный выше технический результат.
Развития полезной модели для частных случаях ее реализации предусматривают, что:
- микропроцессорная система управления может быть снабжена входом, предназначенным для ввода данных о типе первичного двигателя, и выполнена с возможностью выбирать по введенным данным величину k.
- датчик скорости вращения первичного двигателя может быть выполнен в виде частотомера, подключенного к выходу синхронного генератора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема автономной электростанции по полезной модели с учетом ее развития.
Осуществление полезной модели
Блок-схема на фиг.1 содержит:
1 - первичный двигатель, например дизельный ДВС;
2 - регулятор скорости вращения первичного двигателя 1;
3 - синхронный генератор, приводимый во вращение первичным двигателем;
4 - преобразователь частоты, установленный на выходе генератора 3;
5 - коммутатор, шунтирующий преобразователь 4;
6 - датчик скорости вращения двигателя 1, выполненный в виде датчика частоты генератора 3;
7 - датчик выходной активной мощности Р, подключенный к выходу электростанции (в качестве датчика 7 также может использоваться датчик активной мощности, подключенный к выходу генератора 3);
8 - микропроцессорная система управления;
Выходы датчиков 6 и 7 подключены к соответствующим входам системы 8, а ее первый и второй выходы 9 и 10 - к управляющему входу коммутатора 5 и к входу регулятора 2 соответственно. Выходы 11 и 12 системы 8 управляют напряжением генератора 3 (воздействуя на его регулятор возбуждения) и выходной частотой преобразователя 4 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Первичный двигатель 1 приводит во вращение синхронный генератор 3. Воздействуя на регулятор 2, система 8 изменяет скорость вращения двигателя 1. Измеряемая датчиком 6 частота напряжения, вырабатываемого генератором 3, меняется пропорционально скорости вращения двигателя 1.
С выхода генератора 3 напряжение, уровень которого система 8 может изменять воздействиями по выходу 11, поступает на преобразователь 4, выходная частота которого поддерживается в требуемых пределах воздействиями, выдаваемыми системой 8 по выходу 12.
Система 8 управления, анализируя сигнал с датчика 7, формирует на выходах 9 и 10 сигналы, управляющие коммутатором 5 и регулятором 2 соответственно.
ном
ном
Если величина мощности Р, измеряемой датчиком 7, не превышает некоторого значения kР, где Р - номинальная мощность двигателя 1, a k≤1, система 8 формирует на выходе 9 отключающий сигнал, удерживающий коммутатор 5 в разомкнутом состоянии. При этом электроэнергия требуемой частоты поступает в нагрузку от преобразователя 4, а система 8 формирует на выходе 10 сигнал, соответствующий оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения первичного двигателя 1 от его мощности (первый режим работы).
ном
При увеличении мощности Р, измеряемой датчиком 7, до значения Р>kР система 8 формирует на выходе 9 сигнал, включающий коммутатор 5 и удерживающий его в замкнутом состоянии (второй режим работы). При этом электроэнергия в нагрузку поступает от генератора 3, а преобразователь 4 не работает. Замыканию коммутатора 5 предшествует формирование системой 8 на выходе 10 сигнала, соответствующего номинальной скорости вращения первичного двигателя 1. Этот сигнал, воздействуя на регулятор 2, устанавливает номинальную скорость вращения двигателя 1, которой соответствуют номинальная частота генератора 3 и требуемая частота переменного напряжения на нагрузке электростанции.
н
Если мощность Р, измеряемая датчиком 7, понижается до Р<kР, система
управления 8 возвращает электростанцию в первый режим работы.
Экономия топлива при выполнении устройства согласно полезной модели обеспечивается:
ном
- в первом режиме (Р<kР), благодаря тому, что сигнал на выходе 10, подключенном к регулятору 2 скорости вращения, формируется системой 8 в соответствии с оптимальной по минимуму расхода топлива зависимостью скорости вращения двигателя 1 от его мощности, меняющейся вместе с мощностью Р, измеряемой датчиком 7, в зависимости от величины электрической нагрузки;
ном
- во втором режиме (Р>kР)1 благодаря тому, что включение коммутатора 5 выводит преобразователь 4 из цепи передачи энергии в нагрузку, тем самым исключая потери энергии в нем.
В результате проведенных исследований было установлено, что значения k, обеспечивающие максимальную экономию топлива, и вид оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения от мощности определяются конкретным типом двигателя внутреннего сгорания, используемого в качестве двигателя 1. Значения k и соответствующие зависимости оптимальной скорости вращения от мощности для различных типов двигателей внутреннего сгорания могут быть предварительно введены (например по входу 13) в систему 8, которую целесообразно выполнить программируемой.
Источники информации
1. Патент РФ №34817 на полезную модель. МПК H02J 3/00, 3/46, 2003 г.
2. Патент РФ №45056 на полезную модель. МПК H02J 3/00, 3/46, 2004 г.