Электромеханическое устройство для производства электрической энергии

 

Использование: при производстве и конструировании устройств и систем, генерирующих электрическую энергию. Сущность: электромеханическое устройство содержит генератор постоянного тока 1 с валом вращения 2, основной двигатель постоянного тока 3, внешний источник энергии 4 с переключателем 5 нагрузки потребителей 6 и 7, дополнительный двигатель постоянного тока 8, конвертор 9 и диод 10. В устройстве обеспечивается повышение КПД за счет введения дополнительного двигателя, конвертора и диода, которые дополнительно запасают энергию при уменьшении нагрузки и возвращают ее в электрическую цепь при увеличении этой нагрузки. 2 ил.

Изобретение относится к области электричества, в частности к области электрических генераторов и двигателей особых типов, и может быть использовано при производстве и конструировании устройств и систем, генерирующих электрическую энергию.

Известна турбинная установка, содержащая турбину, вал вращения которой жестко соединен с валом вращения гидрогенератора, который вырабатывает электрическую энергию. Турбина вращается под напором воды, поступающей из верхнего резервуара, и попадает в нижний резервуар.

Известна также насосная установка, содержащая двигатель, вал вращения которого жестко соединен с валом вращения насоса, перекачивающего воду из нижнего в верхний резервуары [1]. Данная насосная установка подключается, как правило, в ночное время, когда снижается потребление электрической энергии, вырабатываемой турбинной установкой. Это повышает КПД системы, производящей электрическую энергию, за длительные промежутки времени (сутки), поскольку эта энергия потребляется крайне неравномерно в течение суток.

Недостатком устройства, состоящего из турбинной и насосной установок, является невозможность повышения КПД за короткие промежутки времени, поскольку насосная установка обладает большой инерционностью (постоянной времени), что не позволяет использовать кратковременные превышения электрической энергии турбинной установки над потребляемой энергией. Кроме того, рассматриваемая система не может обеспечить повышение КПД в течение всего времени суток, т. е. работать постоянно в замкнутом цикле, когда вода из верхнего резервуара поступает в нижний, и турбинная установка выдает электрическую энергию, часть которой используется насосной установкой для поднятия воды снова в верхний резервуар. При этом, поскольку имеются потери и используется только часть производимой электрической энергии, то не вся вода может быть перекачена из нижнего в верхний резервуар, в который вода также поступает из дополнительных источников.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее запитанный от внешнего источника электрической энергии двигатель, вал вращения которого жестко соединен с валом вращения генератора, работающего на нагрузку [2].

Недостатком известного устройства является низкий КПД, поскольку оно только преобразует электрическую энергию в механическую и затем снова в электрическую, а излишки этой энергии в дальнейшем не используются для повышения КПД.

Вышеописанное устройство принимаем за прототип и одновременно оно может служить базовым объектом.

Изобретение решает задачу повышения КПД генерации электрической энергии устройства в течение всего времени его работы, т.е. как за кратковременные, так и за длительные промежутки времени.

Поставленная задача в электромеханическом устройстве для производства электрической энергии, содержащем генератор постоянного тока, вал вращения которого соединен с валом вращения основного двигателя постоянного тока, воздействующий на вал вращения внешний источник энергии с переключателем и нагрузки потребителей, достигается за счет того, что в устройство введены дополнительный двигатель постоянного тока, по крайней мере один конвертор и диод, включенный между первым выводом основного двигателя постоянного тока и одним из выводов первой нагрузки потребителя, при этом вал вращения дополнительного двигателя постоянного тока соединен с валом вращения генератора постоянного тока, первый вывод которого соединен с одной из входных клемм конвертора, выходные клеммы которого включены между первым выводом дополнительного двигателя постоянного тока, встречно его противоЭДС, и одним из выводов второй нагрузки потребителя, другой вывод которой соединен с другим выводом первой нагрузки потребителя и с другой входной клеммой конвертора, а вторые выводы основного и дополнительного двигателей постоянного тока и генератора постоянного тока соединены между собой, причем переключатель обеспечивает отключение внешнего источника энергии при условии ω_ист< ω_ген , , где ω_ист - угловая скорость вала вращения за счет внешнего источника энергии; ω_ген - угловая скорость вала вращения за счет энергии генератора постоянного тока.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство в соответствии с формулой изобретения отличается наличием дополнительных элементов, таких как конвертор, дополнительный двигатель постоянного тока и диод, а также наличием дополнительных электрических связей этих элементов с другими элементами устройства, соединением вала вращения дополнительного двигателя постоянного тока с валом вращения генератора постоянного тока и др. Наличие данных отличий от прототипа показывает, что заявленное устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области электрических генераторов и двигателей, в том числе особых типов, и других областях техники не позволило выявить в них вышеуказанные отличительные признаки в качестве самостоятельных функциональных признаков, используемых в какой-либо другой совокупности признаков для решения вышеуказанной задачи. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена структурная схема электромеханического устройства для производства электрической энергии; на фиг. 2 - одна из возможных конструкций переключателя, обеспечивающего коммутацию внешнего источника энергии.

Электромеханическое устройство содержит генератор постоянного тока 1 с валом вращения 2, основной двигатель постоянного тока 3, внешний источник энергии 4 с переключателем 5, нагрузки потребителей 6 и 7, дополнительный двигатель постоянного тока 8, конвертор 9 и диод 10.

Внутри генератора 1, основного и дополнительного двигателей постоянного тока 3 и 8, обведенных на фиг. 1 пунктирами, показаны соответственно активные сопротивления их обмоток R_r, R_g1 и R_g2.

Электромеханическое устройство работает следующим образом.

Энергия внешнего источника 4, используемая в качестве механического вращающего момента, воздействует через переключатель 5 на вал вращения генератора постоянного тока 1. На выходных выводах генератора постоянного тока 1 наводится ЭДС, которая подключена к первой нагрузке и основному двигателю постоянного тока 3 и обеспечивает вращение его вала. Направление вращения вала основного двигателя постоянного тока 3 совпадает при этом с направлением вращения вала генератора постоянного тока 1. Кроме того, ЭДС генератора 1 подключена к дополнительному двигателю постоянного тока 8. При этом из цепи генератора 1 дополнительно постоянного тока 8 со второй нагрузкой для увеличения значения тока в этой ветви. Для этой цели используется конвертор 9, входные выводы которого включены в цепь генератора постоянного тока 1, а выходные выводы включены в ветвь дополнительного двигателя постоянного тока 8, таким образом, что направление ЭДС на выходных выводах конвертора 9 совпадает с направлением тока в этой ветви. Такое включение дополнительной ЭДС в ветви дополнительного двигателя 8 обеспечивает на нем увеличение суммарной ЭДС, а следовательно, и электромагнитного момента, имеющего то же направление вращения, что и электромагнитный момент на основном двигателе 3. Чтобы передаваемая конверторная часть электрической энергии в ветвь дополнительного двигателя 8 не рассеивалась в ветви основного двигателя 3, в последней установлен диод, препятствующий протеканию в нее тока из ветви дополнительного двигателя. При снижении величины нагрузки электромагнитный момент дополнительного двигателя 8 будет возрастать и накапливаться излишек энергии механической системой, которая затем будет расходоваться нагрузкой при ее увеличении. Использование же дополнительной энергии приводит к увеличению КПД электромеханического устройства.

Переключатель 5, один из вариантов которого представлен на фиг. 2, содержит вал вращения 2 с углублениями 11, цилиндрическую насадку 12, пружины 13 и стержни 14.

Переключатель 5 работает следующим образом.

Он выполнен в виде центробежного затвора с пружинами и состоит из вала вращения 2 генератора 1, на внешней грани которого по окружности расположено несколько углублений 11 сложной формы, одна из граней каждого из которых имеет плоскую форму и совмещена с продольной осью вращения 2 и с его соответствующим радиусом, а профиль другой грани имеет форму спирали, один из концов которой совмещен с окружностью вала вращения 2. На данном валу вращения 2 размещена цилиндрическая насадка 12, вращение которой обеспечивает внешний источник энергии 4. В цилиндрической насадке 12 со стороны ее внутренней грани выполнены отверстия, количество которых соответствует количеству углублений, размещенных на внешней грани вала 2. В каждое из отверстий вставлены пружины 13 с металлическими стержнями 14. Такая конструкция переключателя 5 обеспечивает свободное вращение цилиндрической насадки 12 относительно вала 2 в одну сторону (на фиг. 2 - против часовой стрелки) и невозможность ее вращения в противоположном направлении (на фиг. 2 - по часовой стрелке). Поэтому обеспечивается отключение внешнего источника 4 от генератора 1 при выполнении условия ω_ист< ω_ген , , где ω_исти ω_ген - угловые скорости валов вращения соответственно внешнего источника энергии 5 и генератора постоянного тока 1. Если при этом в каком-либо из устройств используется редуктор, то необходимо в указанном неравенстве учитывать его коэффициент передачи.

При снижении потребления энергии внешней нагрузкой увеличиваются токи в ветвях основного и дополнительного двигателей 3 и 8, которые в свою очередь создают дополнительные моменты вала вращения 2 генератора 1, в результате чего скорость вращения его вала ω_ген увеличивается и он запасает энергию. Стационарный режим наступает при ограничении величины ЭДС на выходных выводах конвертора за счет нелинейности его вольтамперной характеристики. При превышении скорости вращения вала внешнего источника 4, т.е. при выполнении ω_ген> ω_ист , , последний отключается. Когда увеличивается потребление энергии нагрузкой, расходуется запасенная механической системой энергия, скорость вращения вала 2 генератора 1 уменьшается и подключается внешний источник энергии 4. За счет использования дополнительной запасенной энергии КПД генератора при изменении нагрузки увеличивается.

Электромеханическое устройство остается работоспособным и решает также задачу повышения КПД при соединении первых выводов (точки C и d) первой и второй нагрузок, как показано на фиг. 1 пунктиром.

Практически электромеханическое устройство было реализовано на трех электродвигателях постоянного тока ЭД-01 (один из которых использовался в качестве генератора) со следующими основными параметрами в номинальном режиме: напряжение 48 В, мощность 530 Вт, потребляемый ток 17 А, частота вращения 1700 об/мин, вращающий момент 0,29 кГм и КПД 0,69. Как показали экспериментальные испытания, КПД электромеханического устройства, выполненного в соответствии с формулой изобретения, увеличивалось на 5 - 12% по сравнению с КПД при использовании данного электродвигателя непосредственно в качестве генератора.

Таким образом, введение в электромеханическое устройство для производства электрической энергии дополнительного двигателя, конвертора и диода, подключенных в соответствии с формулой изобретения, позволило значительно повысить его КПД.

Формула изобретения

Электромеханическое устройство для производства электрической энергии, содержащее генератор постоянного тока, вал вращения которого соединен с валом вращения основного двигателя постоянного тока, воздействующий на вал вращения внешний источник энергии с переключателем и нагрузки потребителей, отличающееся тем, что в устройство введены дополнительный двигатель постоянного тока, по крайней мере один конвертор и диод, включенный между первым выводом основного двигателя постоянного тока и одним из выводов первой нагрузки потребителя, при этом вал вращения дополнительного двигателя постоянного тока соединен с валом вращения генератора постоянного тока, первый вывод которого соединен с одной из входных клемм конвертора, выходные клеммы которого включены между первым выводом дополнительного двигателя постоянного тока встречно его противоЭДС и одним из выводов второй нагрузки потребителя, другой вывод которой соединен с другим выводом первой нагрузки потребителя и с другой входной клеммой конвертора, а вторые выводы основного и дополнительного двигателей постоянного тока и генератора постоянного тока соединены между собой, причем переключатель выполнен с возможностью обеспечения отключения внешнего источника энергии при условии ω_ист< ω_ген , где ω_ист - угловая скорость вала вращения за счет внешнего источника энергии, ω_ген - угловая скорость вала вращения за счет энергии генератора постоянного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2