АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и синхронного генератора, и предназначена 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 автономная электростанция переменного тока (Заявка на изобретение №2011130747 / F02D 41/14, опубл. 27.01.2013 г.), содержащая последовательно соединенные ДВС с переменной частотой вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала ДВС в виде одного блока, 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, отличающаяся тем, что блок задания экономичной частоты вращения вала ДВС выполнен в виде блоков: контроллера управления, контроллера обучения и блока ассоциативной памяти, причем, первый вход контроллера управления соединен с выходом блока вычисления мощности нагрузки, второй вход - с выходом блока ассоциативной памяти, третий вход - с выходом контроллера обучения, к первому входу которого подключен выход датчика потребляемого топлива, подключенного к ДВС, первый выход контроллера управления соединен с сумматором сигналов блока формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, второй выход - с входом блока ассоциативной памяти, третий выход - с вторым входом контроллера управления.
Стабилизация частоты и амплитуды выходного напряжения данного устройства осуществляется на уровне номинальных значений для синхронного генератора при условии минимизации потребления топлива ДВС, входящего в состав генераторного агрегата, выбором оптимальной частоты вращения вала при изменении мощности нагрузки от нуля до номинального значения.
Недостатком устройства является то, что во всем диапазоне мощностей нагрузки - от нуля до номинального значения - электроэнергия, вырабатываемая синхронным генератором, преобразуется с помощью последовательно соединенных блоков управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи, датчика тока, инвертора напряжения и повышающего трансформатора. Известно, что существенная экономия топлива автономной электростанции переменного тока с переменной частотой вращения ДВС достигается при мощности нагрузки меньшей некоторого значения, которое зависит от типа ДВС и примерно равно половине от номинального значения [Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Самоявчев И.С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения. Сборник научных статей «Эксплуатация морского транспорта», №1/2013, ГМА им. адмирала С.О. Макарова. С.-Петербург, 2013. - с. 61-66]. Поэтому, если нагрузка электростанции превышает это значение, целесообразно переводить ДВС в режим работы с постоянной (номинальной) частотой вращения и шунтировать с помощью контактора последовательно соединенные блоки управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи, инвертора напряжения и повышающего трансформатора.
Задача полезной модели - снижений стоимости и массогабаритных показателей электростанции переменного тока.
Техническим результатом полезной модели является снижение установленной мощности управляемого выпрямителя, инвертора напряжения и повышающего трансформатора, а также емкости конденсаторной батареи.
Этот технический результат достигается тем, что в автономной электростанции переменного тока, содержащей последовательно соединенные ДВС с переменной частотой 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 потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала ДВС и регулятора частоты вращения вала ДВС, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор, между выходами синхронного генератора и выходами повышающего трансформатора включен контактор, соединенный с блоком системы управления контактором, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС, к выходу повышающего трансформатора подключены датчики тока и напряжения, выходы которых соединены с блоком вычисления мощности нагрузки.
Подключение между выходами синхронного генератора и выходами повышающего трансформатора контактора, соединенного с системой управления контактором, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС, выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как позволяет существенно снизить установленную мощность управляемого выпрямителя, инвертора напряжения и повышающего трансформатора, а также емкость конденсаторной батареи, а, следовательно, стоимость и массогабаритные показатели управляемого выпрямителя, инвертора напряжения, повышающего трансформатора и конденсаторной батареи. Следовательно, снижается стоимость и массогабаритные показатели автономной электростанции переменного тока с переменной частотой вращения вала ДВС в целом.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема устройства.
Автономная электростанция переменного тока содержит последовательно соединенные ДВС 1 с переменной частотой вращения, синхронный генератор 2, управляемый выпрямитель 3, конденсаторную батарею 4, инвертор напряжения 5, повышающий трансформатор 6, датчик тока 7 и выходные выводы 8. К ДВС 1 подключены регулятор 9 частоты вращения вала ДВС, датчик 10 частоты вращения вала ДВС, сумматор сигналов 11, входящие в состав блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, сюда же входит блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, который состоит из контроллера управления 14, контроллера обучения 15 и блока 16 ассоциативной памяти. В состав блока 12 также входит датчик 17 потребляемого топлива, вход которого подключен к ДВС 1, а выход подключен к блоку 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС. Блок 18 возбуждения синхронного генератора 2 с выводами 19 подключения питания соединен с обмоткой возбуждения синхронного генератора 2 и с выходом контроллера управления 14. Блок 20 стабилизации напряжения, состоящий из задатчика напряжения 21, сумматора сигналов 22 и регулятора напряжения 23, соединен с выходом датчика напряжения 24, с которым соединен также блок 18 возбуждения синхронного генератора 2. Первый вход блока 14 контроллера управления соединен с выходом блока 25 вычисления мощности нагрузки, входы которого соединены с выходами датчика напряжения 24 и датчика тока 7. Датчик напряжения 24 подключен к выходу повышающего трансформатора 6. Второй вход блока 14 контроллера управления соединен с выходом блока 16 ассоциативной памяти, третий вход - с выходом контроллера обучения 15, четвертый - с выходом блока 26 системы управления контактором. К первому входу контроллера обучения 15 подключен выход датчика 17 потребляемого топлива, подключенного к ДВС 1. Первый выход контроллера управления 14 соединен с сумматором сигналов 11 блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, второй выход - с входом блока 16 ассоциативной памяти, третий выход - со вторым входом контроллера обучения 15. Контактор 27 включен между выходами синхронного генератора 2 и выходами повышающего трансформатора 6. Контактор 27 соединен с блоком 26 системы управления контактором 27, которая также соединена с блоком 25 вычисления мощности нагрузки и блоком 13 задания экономичной частоты вращения вата ДВС. Выход задатчика 28 частоты выходного напряжения соединен с инвертором напряжения 5.
Устройство работает следующим образом.
Блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, входящий в состав блока 12 формирования оптимальной частоты вращения вала ДВС, получает сигнал с блока 25 вычисления мощности нагрузки, который соединен с выходами датчика напряжения 24 и датчика тока 7, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе повышающего трансформатора 6. В зависимости от значения мощности нагрузки блок 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС, состоящий из контроллера управления 14, контроллера обучения 15 и блока 16 ассоциативной памяти, задает оптимальную частоту вращения вала ДВС 1. Блок 14 контроллера управления также получает сигнал с блока 26 системы управления контактором 27, вход которого соединен с выходом блока 25 вычисления мощности нагрузки.
Если мощность нагрузки, вычисляемая блоком 25, не превышает значения, заданного системой управления контактором 27, то автономная электростанция работает в режиме с переменной частотой вращения вала ДВС. Если мощность нагрузки выше заданного блоком 26 значения, то автономная электростанция работает в режиме с постоянной (номинальной) частотой вращения вала ДВС.
Блок 16 ассоциативной памяти представляет собой многослойную нейронную сеть, которая обладает способностью накапливать дискретные значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вата ДВС 1 для соответствующих дискретных значений мощности нагрузки. Кроме того, блок 16 ассоциативной памяти для отсутствующих в памяти дискрет мощности нагрузки на основе методов ассоциации и интерполяции в пределах диапазона “обучения” может генерировать значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС 1. Диапазон “обучения” блока 16 ассоциативной памяти - это диапазон дискретных значений мощности нагрузки, для которых в памяти хранятся соответствующие значения оптимальной с точки зрения потребления топлива частоты вращения вала ДВС 1 - логические пары “мощность нагрузки - оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1”.
Автономная электростанция переменного тока в режиме с переменной частотой вращения вала ДВС работает следующим образом.
Контроллер управления 14 обрабатывает сигнал от блока 25 вычисления мощности нагрузки. Если текущее значение мощности нагрузки, вычисляемое блоком 25, принадлежит диапазону, в котором производилось “обучение” блока 16 ассоциативной памяти, то контроллер управления 14 передает значение мощности нагрузки в блок 16 ассоциативной памяти, принимая в ответ оптимальное с точки зрения потребления топлива значение частоты вращения вала ДВС 1 для данного значения мощности нагрузки. Полученное от блока 16 ассоциативной памяти значение оптимальной частоты вращения вала ДВС 1 контроллер управления 14 передает на вход сумматора сигналов 11.
Если текущее значение мощности нагрузки, вычисляемое блоком 25, не принадлежит диапазону, в котором производилось “обучение” блока 16 ассоциативной памяти, то контроллер управления 14 передает значение мощности нагрузки контроллеру обучения 15. Контроллер обучения 15 определяет новую логическую пару “мощность нагрузки - оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1” следующим образом. Контроллер обучения 15, воздействуя на контроллер управления 14, изменяет текущее значение заданной частоты вращения вала ДВС 1, формируемое на выходе котроллера управления 14, на некоторую величину. При этом с помощью датчика 17 контроллер обучения 15 определяет изменение величины удельного потребления топлива. По знаку изменения величины удельного потребления топлива контроллер обучения 15 определяет, в каком направлении необходимо далее изменять частоту вращения вала ДВС 1 - в сторону увеличения или уменьшения. На следующем шаге работы контроллера обучения 15 изменение частоты вращения вала ДВС 1 происходит уже на меньшую величину, чем на предыдущем шаге. Процесс изменения частоты вращения вала ДВС 1 повторяется до тех пор, пока изменение удельного расхода топлива не станет меньше, чем заданная величина ошибки. Таким образом, контроллер обучения 15 определил частоту вращения вала ДВС 1, при которой удельный расход топлива минимальный для данного значения мощности нагрузки. После этого контроллер обучения 15 для данного значения мощности нагрузки формирует новую логическую пару “мощность нагрузки - оптимальное значение частоты вращения вала ДВС 1” и производит “дообучение” блока 16 ассоциативной памяти.
С помощью сумматора сигналов 11 вычисляется разность сигнала задания оптимальной частоты вращения вала ДВС 1, поступающего с контроллера управления 14, 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 контроллером управления 14.
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 синхронного генератора 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на выходных выводах 8 на уровне номинального значения для синхронного генератора 2 осуществляется следующим образом.
Управляемый выпрямитель 3 преобразует переменное напряжение статора синхронного генератора 2 в постоянное напряжение заданной величины. Стабилизация выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 20 стабилизации напряжения, в состав которого входит регулятор напряжения 23, вход которого подключен к сумматору сигналов 22, на входы которого поступают сигналы с задатчика напряжения 21 и с датчика напряжения 24. Для сглаживания выходного напряжения управляемого выпрямителя 3 на его выходе включена конденсаторная батарея 4, которая необходима также для работы инвертора напряжения 5. Кроме того, конденсаторная батарея 4 является накопителем энергии и компенсирует пики и провалы энергии в динамических режимах. Выходное напряжение управляемого выпрямителя 3 преобразуется с помощью инвертора 5 в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе управляемого выпрямителя 3.
В режиме работы с переменной частотой вращения вала ДВС при изменении мощности нагрузки частота вращения вала ДВС 1, а, следовательно, и амплитуда напряжения синхронного генератора 2 будут меняться в широком диапазоне. При этом выходное напряжение управляемого выпрямителя 3, а значит и амплитуда переменного напряжения на выходе инвертора напряжения 5, будут меньше номинального значения напряжения статора синхронного генератора 2. Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 8 до уровня номинального напряжения синхронного генератора 2 на выходе инвертора напряжения 5 включен повышающий трансформатор 6. Задавая с помощью задатчика напряжения 21 величину выходного напряжения управляемого выпрямителя 3, равной отношению амплитуды номинального напряжения статора синхронного генератора 2 к коэффициенту трансформации повышающего трансформатора 6, на выходных выводах 8 получим переменное напряжение, амплитуда которого равна номинальному значению для синхронного генератора 2. Блок 18 возбуждения синхронного генератора 2, получающий питание через выводы 19 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения синхронного генератора 2 с учетом сигнала от блока 13 задания экономичной частоты вращения вала ДВС и от датчика напряжения 24. Таким образом, при изменении частоты вращения вала ДВС 1 на выходных выводах 8 поддерживается амплитуда переменного напряжения на уровне номинального значения для статора синхронного генератора 2.
Частота выходного напряжения на выходных выводах 8 при изменении частоты вращения вала ДВС 1 поддерживается неизменной с помощью инвертора напряжения 5 на уровне, задаваемом задатчиком 28 частоты выходного напряжения.
В режиме работы электростанции с переменной частотой вращения вала ДВС контактор 27 разомкнут.
Автономная электростанция переменного тока в режиме с постоянной (номинальной) частотой вращения вала ДВС работает следующим образом.
Если мощность нагрузки превышает заданное значение, блок 26 системы управления контактором 27, вход которой соединен с выходом блока 25 вычисления мощности нагрузки, формирует управляющий сигнал, в соответствии с которым контактор 27 замыкается и тем самым шунтирует последовательно соединенные управляемый выпрямитель 3, конденсаторную батарею 4, инвертор напряжения 5 и повышающий трансформатор 6. Таким образом, выходы синхронного генератора 2 напрямую подключаются к выходам повышающего трансформатора 6. Управляющий сигнал с выхода блока 26 системы управления контактором 27 поступает также на вход контроллера управления 14, который формирует на входе сумматора сигналов 11 номинальное значение частоты вращения вала ДВС 1.
Таким образом, ДВС 1 при мощности нагрузки, превышающей заданное блоком 26 значение, работает с постоянной (номинальной) частотой вращения.
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.