Устройство электроснабжения с приводным двигателем

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства электроснабжения объектов постоянным и переменным током при наличии приводного двигателя.
Известно устройство электроснабжения постоянным и переменным током транспортного средства, содержащее приводной двигатель, первый синхронный генератор, выпрямитель, двигатель постоянного тока, второй синхронный генератор, потребителей постоянного и переменного тока, при этом вал приводного двигателя соединен с валом первого синхронного генератора, статорная обмотка указанного генератора соединена с выпрямителем, первый выход которого соединен с потребителем постоянного тока, а второй выход - с двигателем постоянного тока, вал которого соединен с валом второго синхронного генератора, статорная обмотка которого подключена к потребителю переменного тока [1]. Особенностью схемы данного устройства является вращение вала приводного двигателя со скоростью n=var и вращение вала второго синхронного генератора со скоростью n=const, где n - скорость вращения вала. Данное устройство нашло широкое применение на подвижных объектах из-за простоты схемы, сравнительно низкой стоимости и широкого спектра выполняемых функций, связанных с переходом от сети с переменной частотой к сети с постоянной частотой, однако оно имеет низкий КПД, отличается сравнительно низкой надежностью и низким качеством выпрямленного напряжения.
Требуемым техническим результатом полезной модели является повышение КПД устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве электроснабжения с приводным двигателем, содержащем приводной двигатель, первый синхронный генератор, выпрямитель, двигатель постоянного тока, второй синхронный генератор и потребителей постоянного и переменного тока, при этом вал первого синхронного генератора соединен с валом приводного двигателя, статорная обмотка первого синхронного генератора подключена к выпрямителю, первый выход которого подключен к потребителю постоянного тока, а второй выход указанного выпрямителя подключен к двигателю постоянного тока, вал которого соединен с валом второго синхронного генератора, к статорной обмотке которого подсоединен потребитель переменного тока, указанные генераторы наделены постоянными магнитами, двигатель постоянного тока выполнен в виде бесконтактного двигателя постоянного тока, содержащего инвертор, синхронный двигатель, датчик положения ротора и формирователь импульсов, при этом инвертор подключен к выпрямителю, синхронный двигатель подключен к инвертору, на валу указанного двигателя закреплен датчик положения ротора, выход которого соединен с формирователем импульсов, подключенным к схеме управления инвертора, а параллельно инвертору установлен сглаживающий конденсатор.
На чертеже представлена структурная схема устройства электроснабжения с приводным двигателем.
Устройство содержит приводной двигатель 1 с валом 1-1, частота вращения которого n=var, первый синхронный генератор с постоянными магнитами 2, выпрямитель 3 с первым выходом 3-1, вторым выходом 3-2 и сглаживающим конденсатором 3-3, бесконтактный двигатель постоянного тока 4, содержащей инвертор 4-1, синхронный двигатель 4-2, датчик положения ротора 4-3, формирователь импульсов 4-4, причем синхронный двигатель 4-2 снабжен валом 4-5 и валом 4-6, второй синхронный генератор с постоянными магнитами 5, потребитель постоянного тока 6 и потребитель переменного тока 7, причем вал 1-1 приводного двигателя 1 соединен с валом первого синхронного генератора с постоянными магнитами 2, обмотка статора которого (не показана) соединена с выпрямителем 3, первый выход 3-1 указанного выпрямителя 3 подключен к потребителю постоянного тока 6, второй выход 3-2 названного выпрямителя 3 подключен параллельно к сглаживающему конденсатору 3-3, который соединен с инвертором 4-1 бесконтактного двигателя постоянного тока 4, при этом указанный инвертор подключен к статорной обмотке (не обозначена) синхронного двигателя 4-2, содержащего первый вал 4-5, соединенный с валом второго синхронного генератора с постоянными магнитами 5 и второй вал 4-6, соединенный с датчиком положения ротора 4-3, выход которого (не обозначен) соединен с формирователем импульсов 4-4, импульсы которого поступают в схему управления (не показана) инвертора 4-1. Статорная обмотка второго синхронного генератора 5 (не показана) подключена к потребителю переменного тока 7. Все элементы системы серийно выпускаются отечественной промышленностью.
Устройство работает следующим образом.
При запуске приводного двигателя 1 его вал 1-1 приходит во вращение, что обеспечивает вращение вала первого синхронного генератора с постоянными магнитами 2 и он начинает вырабатывать электроэнергию. Указанная электроэнергия со статорной обмотки (не показана) генератора 2 поступает в выпрямитель 3, где переменное трехфазное напряжение преобразуется в постоянное выпрямленное напряжение. С первого выхода 3-1 выпрямителя 3 напряжение поступает на потребитель постоянного тока 6, и он начинает работать. Со второго выхода 3-2 выпрямителя 3 напряжение постоянного тока поступает на сглаживающий конденсатор 3-3 и на вход (не показан) инвертора 4-1 бесконтактного двигателя постоянного тока 4. Инвертор 4-1 преобразует входное напряжение в напряжение, удобное для управления синхронным двигателем 4-2 и последний приходит во вращение. Вращение двигателя 4-2 передается на вал второго синхронного генератора 5 с помощью вала 4-5, при этом частота вращения данного вала n=const, что позволяет второму синхронному генератору с постоянными магнитами 5 генерировать напряжение стабильной частоты n=const, которое со статорной обмотки (не показана) данного генератора поступает на потребитель переменного тока 7, который начинает функционировать. Второй вал 4-6 синхронного двигателя 4-2 передает движение на вал, на котором установлен датчик положения ротора 4-3, импульсы которого поступают на формирователь импульсов 4-4, где они преобразуются в форму, удобную для управления инвертором, после чего поступают в схему управления инвертором 4-1. Подобный алгоритм работы характерен для данного устройства при каждом запуске приводного двигателя 1. Теперь оценим КПД предложенного устройства и сравним его с КПД прототипа, учитывая особенности конструкции электрических машин, таких как синхронные генераторы и двигатели постоянного тока, используя известную из технической литературы информацию, при одной и той же мощности. Если учесть рекомендации [4], то можно считать, что при мощности в 100 кВА КПД синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением составляет η=0,88, а двигатель постоянного тока при мощности 50 кВт имеет КПД, η=0,85. КПД синхронного генератора с электромагнитным возбуждением при мощности 50 кВА равен, η=0,87. Тогда КПД устройства-прототипа составляет:
1СГ
2СГ
1ДПГ
где η - КПД первого синхронного генератора с электромагнитным возбуждением; η - КПД второго синхронного генератора с тем же возбуждением; η - КПД двигателя постоянного тока.
БДПТ
СГПМ
По аналогии с изложенным, используя [2, 3] находим, что КПД синхронного генератора с постоянными магнитами равен 0,95; КПД двигателя типа бесконтактный двигатель постоянного тока, η=0,89, а КПД второго генератора с постоянными магнитами равен η=0,92.
Тогда в соответствии с формулой (1), имеем
Сравнивая полученные значения через их отношения, находим
что эффект от применения новых электрических машин вместо старых классических составляет порядка 20%, поэтому можно считать, что требуемый результат достигнут.
Источники, принятые во внимание
[1]. Радин В.И., Загорский А.Е., Белоновский В.А. Электромеханические устройства стабилизации частоты. М., Энергоиздат, 1981, стр. 143, рис. 5-4.
[2]. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические машины с постоянными магнитами. М., Энергоатомиздат, 1988, 280 с.
[3]. Извеков В.И., Кузнецов В.А. Вентильные электрические двигатели. М., МЭИ, 1998,60 с.
[4]. Электротехнический справочник. Т2. Под ред. В.Г. Герасимова. М., МЭИ, 2003, 518 с.