Электроэнергетическое устройство для привода турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в приводах турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания, работающих автономно. Сущность: электроэнергетическое устройство для привода турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания содержит две вспомогательные электрические машины: униполярную и синхронную, батарею конденсаторов и аккумуляторную батарею, которая подключена к первой вспомогательной машине непосредственно, а ко второй - через обратимый преобразователь. Батарея конденсаторов подключена к клеммам второй вспомогательной машины через общий выпрямитель и ключи в каждой ветви батареи конденсаторов, а через трансформатор постоянного тока - к аккумуляторной батарее. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к приводу турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания ДВС, работающих автономно.

Известна силовая установка с двигателей внутреннего сгорания (Швейцария, патент N 658884).

В силовой установке выхлопные газы обеспечивают привод двух турбин. Первая турбина приводит турбокомпрессор. Вторая турбина обеспечивает привод генератора, который с помощью статического устройства регулирования приводит во вращение электродвигатель, сочлененный с двигателем внутреннего сгорания. Передаточное отношение между второй турбиной и электродвигателем регулируется статическим устройством. Эта силовая установка может служить в качестве аналога.

Недостатки аналога наличие дополнительной второй турбины, наличие дополнительного статического устройства.

Известно устройство для привода турбонагнетателя, когда к свободному концу вала турбонагнетателя посредством редуктора присоединена электрическая машина, а вторая электрическая машина присоединена посредством редуктора к валу ДВС, обмотки якорей двух электрических машин электрически соединены между собой, (Патент Япония N 60-128935 от 10.07.85 кл. F 02 В 39/10.37/10. Техническое решение по патенту Японии N 60-128935 принято за прототип.

Недостатки прототипа: 1. Двигатель генераторное устройство по патенту Японии делает установку ДВС с турбонаддувом неустойчивой, поскольку в общей системе наддува и ДВС действуют положительные обратные связи: в режиме малых нагрузок ДВС вторая электрическая машина на валу ДВС работает в режиме генератора, а первая электрическая машина работает в режиме двигателя. При внезапном набросе нагрузки на ДВС его вал, а следовательно, ротор второй электрической машины затормаживается, тогда как первая электрическая машина имеет неизменную частоту вращения. Это приводит к тому, что вторая электрическая машина перейдет из генераторного режима в двигательный, а первая электрическая машина из двигательного в генераторный режим. В связи с этим турбонагреватель уменьшит подачу воздуха в ДВС, тогда как по условиям устойчивой работы необходимо повышение подачи воздуха нагнетателем.

2. В предлагаемых по патенту Японии машинах переменного тока практически вся избыточная мощность выхлопных газов переходит в потери скольжения. Это объясняется тем, что обеспечение подачи оптимального по условиям сгорания топлива расхода воздуха в ДВС требует независимого регулирования частоты вращения турбонагнетателя и ДВС. Отсутствие потерь скольжения в обеих электрических машинах возможно лишь при постоянном значении соотношения частот вращения турбонагнетателя и ДВС. Изменение нагрузки ДВС при его постоянной частоте вращения второй электрической машины требует соответствующего изменения частоты вращения турбонагнетателя, а следовательно, частота вращения будет отличаться от синхронной тем больше, чем больше изменение нагрузки двигателя внутреннего сгорания по отношения к его исходному режиму.

Цель изобретения является повышение экономичности и устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанная цель достигается тем, что первая вспомогательная машина выполнена в виде униполярной, а вторая вспомогательная машина выполнена синхронной и введены батарея конденсаторов, аккумуляторная батарея, подключенная к выходу трансформатора постоянного тока, клеммам первой вспомогательной машины и через обратимый преобразователь к клеммам второй вспомогательной машины; вход трансформатора постоянного тока подключен к секциям батареи конденсаторов, каждая из которых через управляемые ключи соединена с выходом выпрямителя, вход которого соединен с клеммами второй вспомогательной машины, кроме того, обратимый преобразователь состоит из униполярной машины и синхронной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержни одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой; кроме того, трансформатор постоянного тока состоит из униполярной машины и вентильной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержня одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, и стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой.

Отличительные признаки предлагаемого изобретения: аккумуляторная батарея с регулируемым обратимым преобразователем; обратимый преобразователь регулируемой частоты тока с герметичными жидкометаллическими контактами, с индуктором синхронной машины, возбуждаемым рабочим током якоря униполярной машины; две секции батарей конденсаторов с регулируемым трансформатором постоянного тока с герметичными жидкометаллическими контактами, с индуктором вентильной машины, возбуждаемым рабочим током якоря униполярной машины; униполярная электрическая машина на двигателе внутреннего сгорания с герметичным жидкометаллическим контактом, с якорем, выполненным из полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными немагнитными высокопроводящими стержнями, обращенными к дополнительному ферромагнитному цилиндру; дополнительный ферромагнитный цилиндр с пазами, числом равными числу высокопроводящих стержней якоря второй машины, установленный на валу двигателя внутреннего сгорания.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", т.к. из известного перечня информации, установленного нормативным документом П. 127.33-1-74, технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображено электроэнергетическое устройство для привода турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания.

Устройство содержит турбонагнетатель ТН 1 с высокочастотной синхронной машиной ВСМ 2, установленными на корпусе ДВС 3. Выходные клеммы ВСМ 2 подключены к входным клеммам переменного тока регулируемого обратимого преобразователя ОП 4, а его выходные клеммы постоянного тока подключены к аккумуляторной батарее АБ 5. Выходные клеммы ВСМ 2 посредством выпрямителя В 6 и ключей к 7, управляемых системой управления СУ 8 ДВС, подключены по крайней мере к двум секциям конденсаторных батарей 9 и посредством трансформатора постоянного тока ТПТ 10 подключены к АБ 5. АБ 5 электрически соединена с униполярной машиной 11 на ДВС 3. На валу ДВС 3 установлен ферромагнитный цилиндр 12 с пазами, служащий внутренними внутренним магнитопроводом униполярной машины 11. Силовой вал ДВС соединен с валом приводного механизма М 13.

На фиг. 2 изображена конструктивная схема ОП 4. ОП 4 содержит униполярную машину 14 с кольцевой обмоткой возбуждения 15. якорем 16, кольцевую герметичную камеру 17 и синхронную машину 18. Индуктор 19 синхронной машины 18 жестко сочленен с якорем униполярной машины 16, образуя единый полый цилиндр, установленный на подшипниковых опорах 20.

На фиг. 3 изображено сечение А-А на фиг. 2 Якорь 16 состоит из ферромагнитного полого цилиндра 21 с высокопроводящими немагнитными стержнями 22, замкнутыми с торцов и в зоне обмотки 15 высокопроводящими немагнитными короткозамыкающими кольцами 23, 24 и 25 (фиг. 2).

На фиг. 4 изображено сечение Б-Б на фиг. 2 Индуктор 19 состоит из ферромагнитного полого цилиндра, разделенного вдоль образующей диэлектриком 25 на разноименные полюса 27 и 28, в данном случае на 2 полюса, с высокопроводящими немагнитными стержнями 29, замкнутыми с одного торца высокопроводящими немагнитными стержнями 29, замкнутыми с одного торца высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом 30, с другой стержни 29 полюса 27 соединяются немагнитным короткозамыкающим кольцом 31, изолированным от якоря 16, кольца 25 и полюса 27 диэлектриком 32 (фиг. 2).

Кольца 23, 24 и 31 соединены с выходными клеммами постоянного тока 33 посредством жидкометаллических контактов 34.

Обмотка якоря 35 синхронной машины соединена с выходными клеммами 36 переменного тока.

На фиг. 5 изображена конструктивная схема ТПТ 10. Эта схема принципиально аналогична конструктивной схеме ОП 4 на фиг. 2. за исключением того, что обмотка якоря 37 вентильной машины посредством полупроводникового коммутатора соединена с выходными клеммами постоянного тока повышенного напряжения 39. Статор 40 униполярной машины 211 (фиг. 6, 7) выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями 44, обращенными высокопроводящими стержнями к ферромагнитному цилиндру 12. Стержни 44 замкнуты высокопроводящими немагнитными короткозамыкающими кольцами 45 и соединены посредством жидкометаллических контактов 46 с выходными клеммами 47. Якорь 43 установлен на подшипниковых опорах 48. Герметизация кольцевой камеры 42 обеспечивается защитным цилиндром 49.

Электроэнергетическое устройство работает следующим образом.

При больших нагрузках в установившихся процессах ДВС 3 (фиг. 1) мощность выхлопных газов превосходит мощность ТН1, необходимую для подачи оптимального расхода воздуха в ДВС, в связи с чем избыточная мощность генерируется ВСМ 2 посредством ОП 4 подается на зарядку АБ5. При невысоких нагрузках в установившихся процессах ДВС 3 мощность выхлопных газов недостаточна для обеспечения подачи оптимального расхода воздуха ТН1 в ДВС 3, в этом случае ВСМ 2 работает в режиме двигателя, получая питание от АБ 5, через ОП 4. Обеспечение требуемой частоты вращения ТН 1 осуществляется за счет регулирования частоты вращения индуктора 19 синхронной машины 18(фиг. 2). Плавное регулирование частоты вращения синхронной машины 18 достигается изменением величины тока возбуждения в обмотке 15 (фиг.2).

В неустановившихся кратковременных процессах ДВС 3, например, при сбросе нагрузки АБ5 не может принять избыточную энергию вследствие большой инерционности АБ. В этом случае СУ 8 подает сигнал на открытие К 7, при этом избыточная электроэнергия в цепи ВСМ 2 идет через В 6 на зарядку малоинерционного конденсатора 9. При достижении полной зарядки конденсатора 9 ток в цепи зарядки становится равным нулю или близок к нулю, конденсатор 9 отключается от цепи ВСМ 2. После окончания переходного процесса в ДВС конденсатор 9 постепенно разряжается на ОБ 5. Регулирование тока зарядки АБ 5 и практически полной разрядки конденсатора 9 достигается с использованием ТПТ 10, фиг. 1, 5. Плавное регулирование тока возбуждения в обмотке 15 позволяет изменять частоту вращения якоря 16 униполярной машины 14 и индуктора 19 вентильной машины 18. Этим достигается плавное регулирование напряжения на клеммах низкого напряжения 33 и клеммах высокого напряжения 39.

Полупроводниковый коммутатор 38 позволяет дополнительно регулировать напряжение на выходных клеммах 39. Поскольку за короткое время может быть несколько неустановившихся процессов, целесообразно конденсаторную батарею 9 разбить на ряд секций, при этом емкость каждой из них определится сбросом ДВС величины энергии, характерной для одного переходного процесса. Порядок включения и отключения секций конденсаторной батареи 9 производится СУ 8. Сброс энергии ДВС в переходном процессе происходит не только через ТН 1, но и через униполярную машины 11, при этом электроэнергия, генерируемая униполярной машиной 11, также идет на зарядку конденсатора 9 через ТПТ 10.

Преимущество предлагаемого электроэнергетического устройства по сравнению с прототипом заключается в том, что оно снабжено высокоинерционным АБ накопителем электроэнергии, при этом две электрические машины ДВС 2 и 11 электрически непосредственно не связаны друг с другом, что делает устойчивой работу устройства; кроме того, оно снабжено регулируемыми электрическими машинами и преобразователями, что исключает потери скольжения в установившихся процессах и повышает экономичность ДВАС; кроме того, оно снабжено регулируемым малоинерционным накопителем электроэнергии конденсаторной батареей 9 и ТРТ 10, что исключает потери в неустановившихся процессах и повышает экономичность ДВС.

Формула изобретения

1. Электроэнергетическое устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания с турбонагнетателем, вал которого соединен с валом приводного механизма, первую вспомогательную электрическую машину, вторую вспомогательную электрическую машину, размещенную на свободном конце вала турбонагнетателя, отличающееся тем, что первая вспомогательная машина выполнена униполярной, а вторая вспомогательная машина синхронной и введены батарея конденсаторов, аккумуляторная батарея, подключенная к выходу трансформатора постоянного тока, клеммам первой вспомогательной машины и через обратный преобразователь к клеммам второй вспомогательной машины, вход трансформатора постоянного тока подключен к секциям батареи конденсаторов, каждая из которых через управляемый ключ соединена с выходом выпрямителя, вход которого соединен с клеммами второй вспомогательной машины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обратный преобразователь составлен из униполярной и синхронной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой, и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты кольцами, образуя ее обмотку, стержни синхронной машины с одного торца замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержни одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, а стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что трансформатор постоянного тока составлен из униполярной и вентильной машин постоянного тока, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой, и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты кольцами, образуя ее обмотку, стержни вентильной машины с одного конца замкнуты общим кольцом, образуя якорную обмотку, стержни одной полярности которой замкнуты вторым кольцом, а стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток соединены между собой, а якорная обмотка вентильной машины соединена с входными клеммами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к электромашинным агрегатам (ЭМА), содержащим несколько взаимосвязанных машин, и может быть использован в регулируемом электроприводе, в генераторных агрегатах переменного тока с произвольной частотой вращения приводного вала, в качестве преобразователя частоты с плавным регулированием выходных параметров электроэнергии (частоты и амплитуды напряжения)

Изобретение относится к электроэнергетическим установкам с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающим на судах, тепловозах и стационарных электроэнергетических сетях

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электромашинным агрегатам (ЭМА), содержащим несколько взаимосвязанных машин, и может быть использовано в регулируемом электроприводе, генераторных агрегатах переменного тока с произвольной частотой вращения приводного вала

Изобретение относится к устройствам для изменения и регулирования частоты вращения выходного вала редуктора по отношению к частоте вращения его входного вала

Изобретение относится к электротехнике

Изобретение относится к приводам машин и механизмов

Изобретение относится к электромашиностроению

Изобретение относится к электротехнике , и может быть использовано в ;станках с ЧПУ, в трубопоршневых расходоизмерительных и расходозадающих установках

Изобретение может быть использовано в двигателях с наддувом, содержащих турбонагнетатели. Способ эксплуатации двигателя (10) с турбонагнетателем (164, 161, 162) заключается в том, что осуществляют вращение турбонагнетателя в первом направлении для увеличения времени нахождения выхлопных газов двигателя в выпускном (48) коллекторе. Осуществляют вращение турбонагнетателя во втором направлении, отличном от первого направления, для увеличения крутящего момента на выходе двигателя (10) с помощью увеличения потока воздуха, подаваемого к двигателю. Раскрыты варианты способа эксплуатации двигателя. Технический результат заключается в снижении вредных выбросов двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Тепловая машина (100) содержит двигатель (10) внутреннего сгорания со стороной (AG) выпуска отработавших газов и стороной (LL) наддувочной текучей среды и систему наддува. Система наддува включает в себя турбонагнетатель (20) отработавших газов для наддува двигателя (10) внутреннего сгорания, снабженный компрессорной системой на стороне (LL) наддувочной текучей среды и турбинной системой на стороне (AG) выпуска отработавших газов, и компрессор (41), первичная сторона (41.1) которого подключена к стороне (LL) наддувочной текучей среды, а вторичная сторона (41.2) которого - к стороне (AG) выпуска отработавших газов. Система наддува также включает в себя систему (30) рециркуляции отработавших газов, снабженную рециркуляционным трубопроводом (39) для отработавших газов от стороны (AG) выпуска отработавших газов двигателя (10) внутреннего сгорания к стороне (LL) наддувочной текучей среды двигателя (10) внутреннего сгорания. Турбонагнетатель (20) имеет одну ступень (ND) низкого давления и одну ступень (HD) высокого давления. Ступень (ND) низкого давления имеет низконапорный компрессор (22) компрессорной системы, привод которого осуществляется низконапорной турбиной (21) турбинной системы. Ступень (HD) высокого давления имеет высоконапорный компрессор (24) компрессорной системы, привод которого осуществляется высоконапорной турбиной (23) турбинной системы. Компрессор (41) предназначен для сжатия наддувочной текучей среды из ступени (ND) низкого давления и подачи сжатой наддувочной текучей среды к ступени (HD) высокого давления. Первичная сторона (41.1) компрессора (41) подключена к вторичной стороне (22.1) низконапорного компрессора (22), а его вторичная сторона (41.2) - к первичной стороне (23.1) высоконапорной турбины (23). Раскрыто транспортное средство, снабженное тепловой машиной. Технический результат заключается в повышении количества надувочного воздуха и в повышении динамики движения транспортного средства. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть использовано в турбокомпаундных двигательных установках. Двигательная установка содержит двигатель (1) внутреннего сгорания, включающий в себя впускную и выпускную линии (2) и (20), компрессор (11) низкого давления, компрессор (5) высокого давления, турбину (6) высокого давления, турбину (7) низкого давления и первый байпасный механизм (3, 4). Компрессор (11) низкого давления и компрессор (5) высокого давления установлены во впускной линии (2) последовательно по потоку воздуха. Турбина (6) высокого давления и турбина (7) низкого давления установлены в выпускной линии последовательно по потоку газов. Первый байпасный механизм (3, 4) предназначен для обхода компрессора (5) высокого давления. Турбина (6) высокого давления соединена с валом компрессора (11) низкого давления. Двигательная установка содержит электрический преобразователь (55) крутящего момента. Электрический преобразователь (55) крутящего момента включает в себя электрический генератор (30), установленный с возможностью привода от турбины (7) низкого давления, первый электродвигатель (32), установленный с возможностью привода компрессора (5) высокого давления, и инвертор (31). Инвертор (31) предназначен для преобразования электрической энергии, вырабатываемой электрическим генератором (30), и для питания, и управления первым электродвигателем (32). Раскрыты транспортное средство, содержащее двигательную установку, и способ управления двигательной установкой. Технический результат заключается в повышении удельной мощности и в уменьшении дымности отработавших газов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх