Автономная дизель-электрическая установка

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является повышение экономичности. Установка содержит двигатель внутреннего сгорания с топливным насосом 2, преобразователь частоты 4, коммутаторы 10, 11, 12 обмоток датчика скольжения 5, ротора и статора асинхронизированного синхронного генератора 3, датчик 7 тока нагрузки, устр-во сравнения 9, полупроводниковый переключатель 16, функциональный преобразователь 14 частоты вращения в сигнал, пропорциональньп величине оптимальной нагрузки двигателя , многопороговое устр-во 13. Снижение энергетических потерь обеспечивается за счет переключения числа пар полюсов на критических частотах вращения вала. Наряду с этим осуществляется регулирование частоты вращения вала двигателя в функции от величины нагрузки по заранее рассчитанной оптимальной зависимости . 4 ил. с/)

сооз советских социмистичнжих

Республик (51)4 Н 02 Р 9/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTGPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изои ваяниям и отн1щтиям п и гкнт ссс1 (21) 4231964/24-07 (22) 20.04.87 (46) 23.03.89. Бюл. Р 11 (72) В.JÎ.Ãðå÷óõà, В.В.Ершов, В.М.Комаров, Н.К.Колесников, А.В.Коренев, М.Е.Кущев и И.М.Эренбург (53) 621.316. 729:621.313.322.843.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

i> 466600, кл. Н 02 P 9/46, 1975.

Авторское свидетельство СССР

И 8?7771, кл. Н 02 P 9/04, 1981. (54) АВТОНОМНАЯ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение экономичности. Установка содержит двигатель внутреннего сгорания с топливным насосом

„„SU,, 477О А1

2, преобразователь частоты 4, коммутаторы 10, 11, 12 обмоток датчика скольжения 5, ротора и статора асинхронизированного синхронного генератора 3, датчик 7 тока нагрузки, устр-во сравнения 9, полупроводниковый переключатель 16, функциональный преобразователь 14 частоты вращения в сигнал, пропорциональный величине оптимальной нагрузки двигателя, многопороговое устр-во 13. Снижение энергетических потерь обеспечивается эа счет переключения числа пар полюсов на критических частотах вращения вала. Наряду с этим осуществляется регулирование частоты вращения вала двигателя в функции от величины нагрузки по заранее рассчитанной оптимальной зависимости. 4 ил.

1467730

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в электроэнергетических установках.

Цель изобретения — повышение эко5 комичности.

Ha,ôèã.1 представлена функциональная схема автономной дизельэлектрической установки, на фиг.2— статические характеристики датчика 10 тока нагрузки и функционального преобразователя частоты вращения; на фиг.3 — схема полупроводникового переключателя; на фиг.4 — схема многопорогового устройства с и-позиционными коммутаторами.

Автономная дизель-электрическая установка сод:ржит двигатель 1 внутреннего сгорания (фиг.1) с топливным насосом 2, асинхронизированный 20 синхронный генератор 3, преобразователь 4 частоты, выход которого соединен с обмоткой ротора генератора

3, а вход — с выходом датчика 5 скольжения, кинематически связанно- 25 го с валом двигателя 1 и подключенного своим входом к выходу задатчика 6 частоты, датчик 7 тока нагрузки, вход которого соединен с выходом генератора 3, регулятор часто- 30 ты вращения, содержащий исполнитель" ный орган 8, выход которого соединен с входом топливного насоса 2, и устройство 9 сравнения, подключенное

ВыхОдом к Входу испОлнительнОГО ор-! гана 8.

Установка содержит также три ипозиционных коммутатора 10-12, многопороговое устройство 13, и-канальный выход которого подключен к и-ка40 нальным входам трех коммутаторов

10-12 (фиг. 4), функциональный преобразователь 14 частоты. вращения в сигнал, пропорциональный оптимальной нагрузке двигателя, кинематически связанный с валом двигателя. 1 внутреннего сгорания и подключенный своим выходом к входу многопорогoBo

ro устройства 13 и первому входу устройства 9 сравнения, источник 15 опорного напряжения и полупроводни50 ковый переключатель 16 (фиг. 3), выход которого соединен с вторым входом устройства 9 сравнения, первый вход — с выходом датчика тока нагрузки, а второй вход — с выходом источ55 ника 15 Опорного напряжения. Второй и-позиционный коммутатор 11 расположен на роторе генератора, обмотка ротора генератора 3 выполнена секционированной с переключаемым числом пар полюсов, а ее катушечные группы соединены между собой через ключи второго и-позиционного коммутатора 11, обмотка статора генератора 3 выполнена секционированной с переключаемой величиной шага, ее катушечные группы соединены через ключи третьего и-позиционного коммутатора

12, в качестве датчика 5 скольжения применена асинхронизированная синхронная машина, статорная обмотка которой соединена с задатчиком 6 частоты, выполнена секционированной с переключаемым числом пар полюсов, а ее катушечные группы соединены между собой через ключки первого ипозиционного коммутатора 10.

Автономная дизель-электрическая установка работает следующим образом.

Регулятор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования частоты вращения с воэможностью адаптивного управления соеди« нением обмоток в статоре датчика скольжения и роторе и статоре асинхронизированного синхронного генератора B зависимости от значений частоты вращения вала. Задающее воздействие формируется датчиком 7 тока нагрузки (фиг.1.сигнал U>) °

На фиг ° 2 приведена статическая характеристика 17 датчика 7 тока нагрузки в виде зависимости U

= f (I >), где U. я - выходной сигнал датчика; I „- активный ток в фазах нагрузки. В качестве датчика тока может использоваться трехфаэная схема выделения активной составляющей.

На фиг.2 приведены статические характеристики функционального преобразователя 14 частоты вращения, кривые 18 и 19. Функциональный преобразователь 14 частоты вращения в сигнал пропорциональный величине оптимальной нагрузки двигателя совмещает в себе две функции: функцию датчика частоты и функцию эадатчика оптимального закона регулирования частоты вращения в зависимости от величины нагрузки. Статическая характеристика функционального преобразователя 14 частоты вращения, представляющая собой зависимость

U + f(n), где и — частота вращения U <„>- выходной сигнал, являет1467730

4 где f — частота напряжения задатчика частоты,"

Р„ - число пар полюсов на статоре машины.

Поскольку ротор датчика 3 скольжения вращается с частотой вращения вала, то создаваемое магнитное поле в датчике пересекает обмотки ротора с частотой вращения, которая может .быть определена выражением ся оптимальной зависимостью регулироваиия частоты вращения для данного типа дизеля. Таким образом, сигнал U характеризует величину оптимальной нагрузки для имеющейся на валу двигателя на данный момент времени частоты вращения.

Для целого ряда дизелей оптимальная зависимость регулирования частоты вращения в функции от нагрузки является линейной (кривая 19,фиг.2) .

В этом случае в качестве функционального преобразователя частоты может использоваться тахогенератор, наклон статической характеристики которого выбирается соответствующим сопротивлением нагрузки в цепи якоря. При нелинейном характере оптимальной зависимости частоты вращения от нагрузки тахогенератор должен быть снабжен полупроводниковым преобразователем, статическая характеристика которого может быть в общем случае нелинейной (кривая

18, фиг.2).

Датчик 7 тока нагрузки и функциональный преобразователь 14 частоты вращения подстроены таким образам, что сигналы U H u U „, могут быть приблизительно равны лишь на частоте вращения оптимальной для данной нагрузки, т.е. обеспечивающей минимум расхода топлива и воздуха. При любых отклонениях частоты вращения от оптимальной для данной нагрузки сигнал

Б изменяется и не будет равным сигналу U Аналогичным образом при любых отклонениях Б „ равенство сигна лов нарушается (фиг.2, U „ gU 6, и только на частоте вращения и», оптимальной для текущей нагрузки

П н,=Пм,) °

Рг п (пр+п ) ° P

60 60

В качестве датчика 5 скольжения используется маломощная асинхронизированная синхронная машина, ротор которой вращается вместе с валом двигателя внутреннего сгорания. В обмотки ее статора от задатчика 6 частоты подается переменное трехфазное напряжение стабильной частоты и . В результате в воздушном зазоре машины возникает магнитное поле, частота вращения которого может быть определена выражением аппп -и

p °

Преобразователь 4 частоты может быть выполнен в виде блока, усилнвающего сигнал, снимаемый с обмоток ротора датчика 5 скольжения по мощности. Примером конкретного исполнения такого блока может служить непосредственный преобразователь час тоты с естественной коммутацией вен» тильных групп. При этом частота сиг» нала на выходе такого преобразователя такая же, как и частота выходно25 го сигнала с датчика 5 скольжения.

В результате трехфаэное напряжение с частотой f, с выхода преобразователя 4 частоты через контактные кольца подается в ротор генератора 3, 3р обеспечивая возникновение в роторе вращающегося магнитного поля. Частота вращения этого поля относительно тела вращающегося ротора определяется выражением

35 6010 60 прР,)

Рг Рг 60

60йз n P, C

Рг Р где Р г — число пар полюсов на роторе асинхронизированного генератора.

Тогда частота вращения поля в воздушном зазоре генератора 3 (фиг.1) определяется выражением п +и = n.

Частота. электродвижущей силы, наводимой в обмотках статора генератора 3, определяется в этом случае

50 выражением, с учетом предыдущих выражений

66 пр P s Р1 6061 nv P

+ — (— — — ).

60 60 Pi» р У

60 й6 и

1 Р— (Р, Р +Е .

5 14

Из последнего выражения следует, что при равенстве числа пар полюсов ротора генератора 3 и статора датчика 5 скольжения, т.е. при Р Р,, частота выходного напряжения генера- тора 3 не зависит от частоты вращения вала п, а полностью определена и равна частоте f> эадатчика 6 частоты.

Процесс регулирования продолжается до тех пор, пока не выполнится ,равенство U,0,+ 8 „,. Частота м, (no, ôèã.2), соответствующая U .o минимальная допустимая частота вращения, при которой дизель работает устойчиво. На холостом ходу дизельгенератор работает на мннимальнойустойчивой частоте вращения, обеспечивающей минимальный расход топлива и воздуха и достаточный запас кинетической энергии вращающихся масс на случай наброса нагрузки.

Любые отклонения частоты вращения по причинам изменения рабочих процессов в двигателе заставляют регулятор стабилизировать обороты вала относительно п ° На малых нагрузках (десятые доли от номинальной) напряжение с датчика 7 тока нагрузки (фиг.1) меньше напряжения источника опорного напряжения (Пи,),полупроводниковый переключатель l6 по-прежнему подключает к устройству 9 сравнения выход источника 15 опорного напряжения и процесс регулирования относительно значения и, остается неизменным.

При нагрузках, на которых с датчика 7 тока нагрузки сигнал U больше напряжения источника 15 опорного напряжения, полупроводниковый переключатель 16 подключает к соответствующему входу устройства 9 сравнения выход датчика 7 тока нагрузки.

Процесс регулирования при этом не изменяется, так как регулирование производится относительно нового уровня U, т.е. до равенства U ö и U „„, который в случае равенства будет соответствовать новым оборотам, 0IITH» мальным для данной величины нагрузки.

Таким образом, регулирование частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания в функции от величины нагрузки генератора будет оптимальным по критерию минимума расхода топлива и воздуха.

67730 6

Так как равенство числа пар полюсов на роторе генератора 3 (фиг. 1) и на статоре датчика 5 скольжения поддерживается и-позиционнымн комму5 таторами 10 и 11, то при любых частотах вращения вала двигателя внутреннего сгорания на выходе генерато« ра будет напряжение стабильной частоты, равной частоте напряжения задатчика 6 частоты. От эадатчика 6 частоты на вход датчика 5 скольжения (статорные обмотки) подается трехфазное напряжение стабильной частоты. С ротора датчика 5 скольжения в преобразователь 4 частоты подается сигнал с частотой скольжения,который, усиливаясь в нем по мощности, подается на обмотки ротора генератора 3. При любых изменениях частоты вращения вала регулятор отслеживает требуемую частоту скольжения, необходимую для возбуждения генератора, и тем самым обеспечивает синхронность вращения магнитного поля в воздушном зазоре генератора 3 (фиг.1) .

При достижении частот вращения вала значений, характеризующих кри» тический уровень скольжения, на многопороговое устройство 13 с функ-ционального преобразователя частоты вращения в сигнал, пропорциональный величине оптимальной нагрузки дви35 гателя 14, подается напряжение U» которое совпадает с одной иэ уставок многопорогового устройства 13.

В результате многопороговое устройство 13 выцает сигнал на п-позиционные коммутаторы 10 и 11 для необходимого переключения числа пар полюсов в обмотке ротора генератора 3 и в обмотке статора датчика 5 скольжения. Переключение осуществляется таким образом, чтобы равенство Р

Р, не было нарушено. Тогда описанный процесс стабилизации частоты выходного напряжения генератора 3 оста. ется неизменным. При увеличении числа пар полюсов на статоре датчика 5 скольжения поле в его воздушном зазоре замедляется. Знак фазы элект- . родвижущей силы, наводимой в обмотке ротора датчика 5 скольжения, зависит от того, что вращается с большей угловой cKopocTbN - магнитное поле в воздушном зазоре датчика 5 скольжения или его ротор. Это означает что, если при новом числе пар полю1467730

25

35 сов необходимо изменять направление вращения магнитного поля относительно тела ротора генератора 3 (например, при переходе через синхрон5 ную частоту), то это происходит автоматически, так как в одном случае ротор датчика скольжения обгоняет поле (электродвижущая сила имеет одну фазу), в другом случае поле 10 обгоняет ротор (электродвижущая сила в обмотке ротора изменит свой знак на противоположный).

Наиболее благоприятные условия работы асинхронизированного синхронного генератора и всего устройства в целом при соответстгующих переключениях обмотки ротора генератора 3 и датчика 5 скольжения (фиг.1) 1 создаются на частотах — 2 п — 3 n"

1 — п, — и и т.д. и при соответствующем числе пар полюсов 2 Р о, 3 Р,, 4Р, 5Р, 6Р и т.д., где Р„ число пар полюсов, соответствующее первоначальной синхронной скорости.

В этом случае потери в стали ротора генератора 3 отсутствуют вовсе, так как в ротор генератора 3 подается постоянный ток. В остальном диапазоне частот вращения переключениями числа пар полюсов регулятор снижает значения скольжений и тем самым снижает частоту напряжения возбуждения, т.е. потери в стали ротора.

Так как при переключении числа пар полюсов на роторе генератора 3 изменяется полюсное деление генератора 3, то нри этом возникающие высшие гармоники магнитного поля могли бы искажать синусоидальность формы кривой выходного напряжения. С целью исключения влияния высших гармоник обмотка статора генератора также выполнена секционированной с возможностью изменения величины шага обмотки. В ходе работы регулятора многопороговое устройство 13 одновременно управляет и-позиционными комму50 таторами 10 — 12, и-позиционный коммутатор 8 соединяет катушечные группы обмотки статора генератора 3 (фиг. 1) таким образом, чтобы шаг обмотки и полюсное деление генера55 тора, получаемое при переключении числа пар полюсов, были в необходимом соотношении по условиям синусоидальности кривой выходного напряже,ния. !

Таким образ ом, из обретение позI воляет обеспечить снижение энергетических потерь sa счет переключения числа пар полюсов на критических частотах вращения вала, чем достигается повышение экономичности дизель-электрической установки.

Наряду с этим осуществляется регулирование частоты вращения вала двигателя внутрекнего сгорания в функции от величины нагрузки по заранее расчитанной оптимальной зависимости, а также осуществляется стабилизация частоты выходного напряжения генератора при любых отклонениях частоты вращения.

Формула изобретения

Автономная дизель-электрическая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания с топливным насосом, асинхронизированный синхронный генератор, преобразователь частоты, выход которого соединен с обмоткой ротора генератора„ а вход — с выходом датчика скольжения, кинематически связанного с валом двигателя и подключенного своим входом к выходу задатчика частоты, датчик тока нагрузки, вход которого соединен с выходом генератора, регулятор частоты вращения, содержащий исполнительный орган, выход которого соединен с входом топливного насоса, и . устройство сравнения, подключенное выходом к входу исполнительного органа, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, установка снабжена тремя и-позиционными коммутаторами, многопороговым устройством, и-канальный выход которого подключен к и-канальным входам трех коммутаторов, функциональным преобразователем частоты вращения в сигнал, пропорциональный величине оптимальной нагрузки двигателя, кинематически связанным с валом двигателя внутреннего сгорания и подключенного своим выходом к входу многопорогового устройства и первому входу устройства сравнения, а также источником опорного напряжения ° и полупроводниковым переключателем, выход которого соединен с вторым входом устройства сравнения, первый

9 14б7730 о вход — с выходом датчика тока на- переключаемой величиной шага, ее грузки, а второй вход — с выходом катушечные группы соединены через источника опорного напряжения, при- ключи третьего п-позиционного комчем второй и-позиционный коммутатор мутатора в качестве датчика сколь5

Э расположен на роторе генератора, об- жения применена асинхронизированная мотка ротора генератора выполнена синхронная машина, статорная обмотсекционированной с переключаемым чис- ка которой соединена с задатчиком лом пар полюсов, а ее катушечные частоты, выполнена секционированной группы соединены между собой че- с переключаемым числом пар полюсов, рез ключи второго и-позиционного а ее катушечные группы соединены коммУтатоРа обмотка статоРа гене- между собой через ключи первого иратора выполнена секционированной с позиционного коммутатора. би

Составитель А.Бабак

Редактор Л.Зайцева Техред Л.Сердюкова Корректор.А.Обручар

Заказ 1211/54 Тираж 548 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб °, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101