Устройство для выработки энергии и способ выработки энергии (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрогенераторах, у которых для достижения максимального кпд и минимальных выбросов полное внутреннее сопротивление выбрано так, чтобы соответствовать нагрузочной способности привода первичного двигателя во всем диапазоне его частот вращения. Техническим результатом является повышение кпд. В устройстве выработки электроэнергии с первичным двигателем, выходной вал которого вращается с частотой S, что определяет некоторую функцию выходной мощности с угловым коэффициентом М_d, равным отношению выходной мощности к S, для каждого значения S, и с генератором, вырабатывающим электроэнергию в зависимости от вращения вала, при этом полное сопротивление генератора выбирается так, чтобы угловой коэффициент М_g, равный отношению выходной мощности генератора к S, был приблизительно равен угловому коэффициенту М_d для обеспечения возможности управления значением S в целях максимального повышения кпд. 3 c. и 14 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электрогенераторам, приводимым в действие первичным двигателем, а точнее к генератору, у которого для достижения максимального кпд и минимальных выбросов полное внутреннее сопротивление выбрано так, чтобы соответствовать нагрузочной способности привода первичного двигателя во всем диапазоне его частот вращения.

Привод электрогенератора от первичного двигателя, соединенного с осью ротора генератора, общеизвестен. Обычно производимая генератором электрическая мощность вырабатывается в зависимости от возбуждения катушки обмотки возбуждения генератора; применение как самой катушки обмотки возбуждения, так и отдельной электроники, обеспечивающей возбуждение катушки, является нежелательным и дорогостоящим. Кроме того, использование возбуждаемых катушек электромагнита часто является причиной работы генератора с пониженным кпд.

Как правило, это нежелательно, в особенности в тех случаях, когда устройство, содержащее первичный двигатель и электрогенератор, установлено в электромобиле, где привод колес осуществляется электродвигателем, источником энергии которого либо прямо, либо косвенно является генератор; повышение кпд связано не только с уменьшением расхода топлива, но и со снижением загрязнения и других нежелательных характеристик.

Следовательно, является целесообразным применение генератора с постоянным магнитом, в котором отсутствуют катушка обмотки возбуждения и средства возбуждения катушки, и привод которого осуществляется с максимальным кпд непосредственно от первичного двигателя.

Согласно изобретению, первичный двигатель снабжен выходным валом, вращение которого с частотой ω определяет некоторую функцию выходной мощности, имеющую для каждого значения ω отношение выходной мощности к ω, равное угловому коэффициенту М_d, и который соединен с генератором для выработки электрической энергии в зависимости от вращения выходного вала, кроме того, для повышения кпд полное сопротивление генератора выбирается так, чтобы значение углового коэффициента М_g, равное отношению выходной мощности к ω для генератора, было близко к угловому коэффициенту М_d.

В представленном предпочтительном варианте осуществления значение углового коэффициента для генератора лежит в пределах коэффициента пересчета 2 от значения углового коэффициента первичного двигателя. При использовании в гибридном электромобиле, оборудованном дизельным первичным двигателем с угловым коэффициентом М_d рабочей характеристики порядка 0,15 л.с./об (111,855 Вт/об. ), полное сопротивление Z генератора выбирается так, чтобы получить угловой коэффициент М_d рабочей характеристики в диапазоне от приблизительно 0,075 л. с. /об. (55,9275 Вт/об. ) до приблизительно 0,3 л.с./об. (223,71 Вт/об.).

В соответствии с этим, одной из целей настоящего изобретения является создание электрогенератора с приводом от двигателя, полное сопротивление которого выбрано так, чтобы рабочие характеристики генератора соответствовали рабочим характеристикам приводного двигателя, и посредством этого - максимальное повышение кпд.

Эти и другие цели настоящего изобретения будут понятны квалифицированным специалистам в данной области техники из нижеследующего подробного описания с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На фиг. 1 схематично показана блок-схема генератора с приводом от двигателя и типовой нагрузки на генератор, характерной для некоторых гибридных электромобилей и т.п.; фиг. 2 - совокупность согласованных графиков, на которых представлены напряжение и ток, вырабатываемые генератором согласно изобретению с приводом от двигателя и согласованным полным сопротивлением; фиг. 3 - эквивалентная схема с источником напряжения для нового согласованного генератора согласно изобретению; фиг. 4 - график, на котором представлены: кривые максимальной и полезной мощности отдельного дизельного двигателя; рабочая характеристика несогласованного генератора по известному уровню техники; совокупность рабочих характеристик нового согласованного генератора согласно изобретению; фиг. 5 - график, на котором представлена совокупность вольт-амперных рабочих характеристик и кривая зависимости для постоянной нагрузки по мощности для одного частного режима работы, поясняющие способ, при котором, согласно изобретению, максимально повышается кпд системы первичный двигатель - генератор.

На фиг.1 показана блок-схема 10, например, для гибридного электромобиля и т.п., в которой в качестве первичного двигателя применяется двигатель 11. Источник топлива 12 соединен с топливным входом 11а двигателя, при этом сгорание топлива в двигателе обусловливает вращение выходного вала 11s с угловой скоростью или частотой вращения . Частота вращения ω вала 11s двигателя устанавливается в зависимости от сигналов, подаваемых на управляющий вход 11b двигателя с выхода 14b устройства 14 управления двигателем/нагрузкой. Устройство 14 имеет, по меньшей мере, один порт 14а ввода-вывода, подключенный для приема и передачи электрических сигналов по электрической проводной шине 16 к нагрузочному устройству 18 генератора и от него, при этом нагрузка может содержать датчик, переключатели и подобные им преобразователи и/или исполнительные элементы, подсоединенные, по меньшей мере, к одному конечному исполнительному устройству, например электродвигателю для привода колес в гибридном электромобиле или т.п.

Для формирования выходного напряжения V_g переменного тока между выходными клеммами 20а и 20b генератора, предназначенными для подключения к нагрузке 18, вал 11s двигателя непосредственно соединен с осью 20s ротора генератора 20. До сих пор генератор 20 в целом представлял собой генератор с полем возбуждения, имеющий катушку 20f возбуждения (показанную пунктирной линией), находящуюся внутри генератора и подключенную к выходу 22f возбуждения поля устройства 22 для возбуждения поля. Обычно устройство 22 имеет входы 22а/22b, которые соединены с электрическим выходом генератора для управления с их помощью напряжением тока, и, кроме того, имеет порт 22 ввода управляющих сигналов для приема команд, других считанных параметров и аналогичных сигналов, так что вся совокупность входных сигналов может использоваться хорошо известным в области формирования электрического поля способом для установки напряжения V_g генератора посредством управления параметрами сигнала возбуждения катушки 20f возбуждения. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения генератор 20 представляет собой генератор с постоянным магнитом, в котором полностью отсутствует катушка 20f возбуждения, а в схеме 10 также полностью отсутствует какая-либо разновидность средств 22 обеспечения возбуждения поля и связанные с таким средством возбуждения поля, какие-либо специальные датчики, исполнительные элементы и электрические соединения.

Взятая в качестве примера нагрузка 18 генератора, встречающаяся в гибридных электромобилях и т.п., может включать в себя двухполупериодный выпрямитель (ДПВ) 20 для приема переменного напряжения V_g с клемм 20а и 20b генератора и для выпрямления (преобразования) его в напряжение V' пульсирующего постоянного тока, причем к выходам ДПВ параллельно подключена аккумуляторная батарея 26. Управляемое переключающее устройство 28 подключено последовательно с переменной нагрузкой 30, такой как электродвигатель постоянного тока и т.п., подключенной параллельно аккумуляторной батарее 26. Таким образом, последовательно соединенные устройство 28 и устройство 30 подключены параллельно аккумуляторной батарее 26 и параллельно выходу ДПВ 24. В зависимости от состояния управляющего сигнала на входе 28с, подаваемого, как правило, по шине 16 или подобным образом, электрический потенциал на входе 28 а управляемого переключающего устройства избирательно соединяется с его выходом 28b (и, следовательно, с нагрузкой 30).

Как следует из фиг.2, напряжение V_g генератора - это всегда двухполюсное переменное напряжение 20 W с некоторым пиковым значением (максимум которого равен _oc - напряжению холостого хода генератора и, как правило, несколько меньше амплитуды в силу падения напряжения, обусловленного прохождением электрического тока генератора через последовательное полное сопротивление Z генератора). В выходном напряжении V' устройства 24 полупериоды 20n отрицательной полярности (показаны пунктирной линией) инвертируются посредством двухполупериодного выпрямления; однополюсное напряжение V' имеет только составляющие 20р положительной полярности. Ток I' не течет, если выпрямительные диоды устройства 24 представляют собой обратносмещенные диоды, что имеет место каждый раз, когда мгновенная амплитуда напряжения V' становится меньше напряжения V_b аккумуляторной батареи 26, подключенной параллельно выходу ДПВ. Однако как только мгновенное напряжение V' превысит напряжение V_b аккумуляторной батареи, диоды устройства ДПВ 24 становятся прямосмещенными диодами, и импульсы 32 тока I' доходят, как показано на нижней форме сигнала на фиг. 2, до некоторого пикового значения I_р. Если переключающее устройство 28 не пропускает ток, то весь ток I' заряжает и перезаряжает аккумуляторную батарею 26; если же переключающее устройство 28 пропускает ток, то ток протекает к электрической нагрузке 30 через устройство 28 либо от устройства 24, либо от аккумуляторной батареи 26, или от обоих устройств.

На фиг.3 приведена эквивалентная схема с источником напряжения для генератора с постоянным магнитом (ГПМ) 20, в которой источник 20у синусоидального сигнала со значением V_oc (являющимся функцией частоты вращения ω входного вала 20s генератора) установлен последовательно между клеммами генератора 20а и 20b, а полное сопротивление 20z генератора состоит из последовательного сопротивления 20r и последовательного реактивного сопротивления 20х. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, значение Z полного сопротивления 20z генератора выбирается так, чтобы задать некоторый рабочий угловой коэффициент М_g, который определяется как изменение мощности Р (в лошадиных силах) по отношению к частоте вращения S вала (в оборотах в минуту) и желательно соответствует угловому коэффициенту М_g кривой P/S для двигателя, как будет подробно описано ниже. Угловой коэффициент М_g может быть установлен посредством управления амплитудой R активной составляющей и/или амплитудой Х реактивной составляющей.

На графике 40, показанном на фиг.4, по оси 41 абсцисс представлена частота вращения S двигателя 11 в оборотах в минуту (об./мин), а по оси 42 ординат - выходная мощность Р двигателя в лошадиных силах. Для некоторого конкретного дизельного двигателя 11 можно получить как характеристику 44 максимальной мощности Р_mах, так и, при известном сцеплении двигателя с нагрузкой на его валу, характеристику 44' полезной мощности P_net. Характеристическая кривая 44' проходит рядом с характеристической кривой 44; для этого конкретного двигателя угловой коэффициент M_d кривой 44 зависимости мощности от частоты вращения приблизительно равен отношению (240-60) л.с. к (2000-800) об. /мин^-1, то есть равен 0,15 л.с./об. (111,855 Вт/об.). Рабочая характеристика 46 генератора 20 определяется его выходным напряжением V_g, равным после выпрямления напряжению V_b аккумуляторной батареи; таким образом, генератор имеет первую рабочую характеристику 46а, отражающую зависимость выходной мощности от частоты вращения S вала 20s для нижнего предела напряжения аккумуляторной батареи (в данном случае приблизительно 450 В постоянного тока), и имеет другие рабочие характеристики 46b, 46с, 46d и 46е, соответствующие большим значениям V_b (в данном случае, соответственно, приблизительно 500, 540, 580 и 620 В постоянного тока.

Согласно изобретению, полное сопротивление Z генератора выбирается так, чтобы угловой коэффициент М_g рабочей характеристики 46 генератора был равен значению, близкому к значению углового коэффициента M_d рабочей характеристики двигателя. Как правило, значение отношения углового коэффициента М_g характеристики 46 генератора при любой частоте вращения S к угловому коэффициенту М_d характеристики 44 двигателя при той же частоте вращения не превосходит двух, например минимальное значение углового коэффициента M_g,min рабочей характеристики генератора приблизительно равно M_d/2, а максимальное значение углового коэффициента M_d,max рабочей характеристики генератора приблизительно равно 2M_d. В качестве примера, для двигателя со значением М_d, равным 0,15 (111,855 Вт/об.), минимальное значение углового коэффициента характеристики 46 генератора будет приблизительно равно 0,075 (55,9275 Вт/об.) (как в верхней точке кривой 45а), а максимальное значение углового коэффициента М_g для генератора приблизительно равно 0,3 (223,71 Вт/об.) (как в нижней точке кривой 46е). В известных до настоящего времени сочетаниях двигатель-генератор обычное значение углового коэффициента M_old рабочей характеристики 48 обычного генератора приблизительно равно 0,4 лошадиных силы на оборот (298,28 Вт/об. ). Ясно, что для согласованной пары двигатель-генератор в соответствии с изобретением угловой коэффициент рабочей характеристики меньше углового коэффициента рабочей характеристики обычного генератора и, как правило, он в два или три раза меньше углового коэффициента для обычного генератора.

Очевидно, что для одного конкретного сочетания дизельного двигателя с пиковой мощностью 240 лошадиных сил (178,968 кВт) и генератора 20 с постоянным магнитом, обеспечивающего выходную мощность при максимальных напряжениях переменного тока в диапазоне от приблизительно 450 В до приблизительно 620 В, генератор 20 выбран не только для согласования полного сопротивления с первичным двигателем, но также и для того, чтобы обеспечить, по существу, отсутствие выходной мощности при частотах вращения ниже приблизительно 1000 об./мин; таким образом, ощутимая электрическая мощность, которую можно определить как мощность, превышающую приблизительно 5% пиковой мощности, обеспечивается только при частотах вращения, превышающих частоты из области низких частот вращения, в которой для данного конкретного применяемого двигателя имеют место повышенные выбросы и другие нежелательные характеристики.

Согласно другому аспекту изобретения, то обстоятельство, что генератор начинает вырабатывать ощутимую выходную мощность при частоте вращения вала от 1000 до 1200 об./мин, позволяет снизить до минимума выбросы двигателя в тот период, когда к дизельному двигателю 11 еще не подключена нагрузка, пока турбонаддув дизельного двигателя не обеспечил набор требуемой частоты вращения, чтобы не снизить общую рабочую частоту вращения двигателя; кроме того, это позволяет отрегулировать систему впрыска топлива дизельного двигателя так, чтобы обеспечить постепенное нарастание частоты вращения двигателя приблизительно до 1200 об./мин до того как возрастающая подача топлива достигнет нижней границы требований к вращающему моменту, и, таким образом, дополнительно снизить выбросы из двигателя 11 примесных газов и твердых частиц.

На графике 50, показанном на фиг.5, по оси 51 абсцисс представлен ток I_l нагрузки, а по оси 52 ординат - напряжение U_l нагрузки. Нагрузка (двигатель 30) - это постоянная силовая нагрузка, вольт-амперная характеристика 53 которой показана пунктирной линией. Эта характеристика представляет собой мощность, подаваемую на двигатель-нагрузку, и в каждой точке кривой 53 равна произведению рабочего напряжения, приблизительно равного напряжению V_g генератора, и рабочего тока. На заданной частоте вращения генератор 20 работает в соответствии с кривой, характеризующей мощность генератора, вырабатывая мощность, которая определяется напряжением V_b аккумуляторной батареи. С целью иллюстрации предположим, что характеристическая кривая мощности для первой рабочей частоты вращения генератора представлена кривой 55, показанной сплошной линией. Эта кривая соответствует частоте вращения (предположим, например, 2000 об./мин), превышающей среднюю частоту вращения (например, 1800 об./мин), которой соответствует вторая кривая 56, при этом средняя частота вращения все же превышает более низкую частоту вращения, которой соответствует третья рабочая характеристика 57 (например, при 1600 об. /мин). Если потребление мощности, вырабатываемой генератором, значительно ниже мощности генератора при данной частоте вращения, например, 2000 об./мин по кривой 55, то ток I, естественно, будет убывать, что приводит к работе системы с меньшим кпд. На кривой 55 максимальное значение кпд достигается в точке 55а, при этом в направлении, показанном стрелкой А, возрастают потери ротора, а в направлении, показанном стрелкой В, возрастают омические потери. Единственными возможными рабочими точками являются точки 55р и 55р', в которых пересекаются кривые 53 и 55; сравнительно высокое напряжение генератора обычно диктует работу с параметрами, соответствующими точке 55р, со значительно меньшим кпд, чем максимальное значение кпд для характеристики 55 генератора. Контроллер 14 распознает значительный уход рабочего напряжения V_О,1 и тока I_L,1 от точки 55а и для повышения кпд генератора регулирует частоту вращения дизельного двигателя 11, например, уменьшая частоту его вращения. Через некоторое время частота вращения падает так, что генератор 20 начинает работать в соответствии с характеристической кривой 56 генератора. Точным положением, соответствующим рабочим параметрам, будет точка 56р, в которой пересекаются кривые 53 и 56. Рабочая точка 56р все еще значительно удалена от рабочей точки 56а, соответствующей максимальном значению кпд данного генератора при этой новой частоте вращения.

Следовательно, устройство 14 управления продолжает снижать частоту вращения двигателя до тех пор, пока не будет достигнута частота вращения, соответствующая характеристической кривой 57, когда генератор будет работать с параметрами, соответствующими точке 57р, расположенной очень близко от точки 57а максимального кпд. Установлено, что за счет согласования полного сопротивления Z генератора с двигателем, вращающим вал генератора, может быть достигнут минимальный кпд, приблизительно равный 94%, в отличие от обычного минимального кпд, равного 85% для генератора с такими рабочими характеристиками, как представленные кривой 48.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано по отношению к одному представленному предпочтительному варианту его осуществления, многие изменения и модификации очевидны для квалифицированных специалистов в данной области техники. Следовательно, предусмотрено, что изобретение ограничено только объемом прилагаемой формулы, а не описанием частностей и способов его применения.

Формула изобретения

1. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее первичный двигатель, имеющий выходной вал, вращающийся с частотой S, определяющей зависимость выходной мощности двигателя от частоты вращения первичного двигателя, имеющую для каждого значения частоты S вращения угловой коэффициент _d первичного двигателя, и генератор для выработки электроэнергии в зависимости от вращения выходного вала первичного двигателя, при этом полное сопротивление генератора выбрано так, чтобы зависимость выходной мощности генератора от частоты вращения генератора при этом значении частоты S вращения первичного двигателя имела угловой коэффициент M_g генератора, не превышающий удвоенное значение углового коэффициента M_d первичного двигателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство управления частотой вращения выходного вала первичного двигателя для максимального повышения кпд устройства.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полное сопротивление генератора обеспечивает угловой коэффициент М_g генератора, составляющий не менее половины значения углового коэффициента M_d первичного двигателя.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор выполнен с возможностью вырабатывания более низкой выходной мощности, менее чем примерно 10% от максимальной выходной мощности генератора для частоты S вращения первичного двигателя, менее чем примерно 1500 об/мин.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что генератор выполнен с возможностью вырабатывания выходной мощности при частоте S вращения первичного двигателя более чем примерно 1000 об/мин.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первичный двигатель представляет собой двигатель, работающий на углеводородном топливе.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что первичный двигатель, работающий на углеводородном топливе, представляет собой дизельный двигатель с турбонаддувом в гибридном электромобиле.

8. Способ выработки электроэнергии, содержащий этапы, на которых используют первичный двигатель, имеющий выходной вал, вращающийся с частотой S, определяющей зависимость выходной мощности первичного двигателя от частоты вращения первичного двигателя, имеющую при каждом значении частоты S вращения угловой коэффициент M_d первичного двигателя, используют генератор, вырабатывающий электрическую энергию в зависимости от вращения выходного вала первичного двигателя, и выбирают полное сопротивление генератора так, чтобы зависимость выходной мощности генератора от частоты вращения генератора имела при этом значении частоты S вращения первичного двигателя угловой коэффициент М_g генератора, не превышающий удвоенное значение углового коэффициента M_d первичного двигателя.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап изменения частоты S вращения первичного двигателя для максимального повышения кпд генератора.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап работы генератора без возбуждения поля.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап выбора генератора так, чтобы ощутимая электрическая выходная мощность, составляющая более чем примерно 5% от пиковой мощности, вырабатывалась только при превышении выбранного заранее минимального значения частоты S вращения первичного двигателя.

12. Способ выработки энергии в гибридном электромобиле, содержащий этапы, на которых используют первичный двигатель, имеющий выходной вал, вращающийся с частотой S, определяющей зависимость выходной мощности первичного двигателя от частоты вращения первичного двигателя, имеющую при каждом значении частоты S вращения угловой коэффициент _d первичного двигателя, генератор, вырабатывающий электрическую энергию в зависимости от вращения выходного вала первичного двигателя, и выбирают полное сопротивление генератора так, чтобы зависимость выходной мощности генератора от частоты вращения генератора имела при этом значении частоты S вращения первичного двигателя угловой коэффициент М_g генератора, не превышающий удвоенное значение углового коэффициента М_d первичного двигателя.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно изменяют частоту S вращения первичного двигателя для максимального повышения кпд генератора.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап работы генератора без возбуждения поля.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап выбора генератора так, чтобы ощутимая электрическая выходная мощность, более чем примерно 5% от пиковой мощности, вырабатывалась только при превышении выбранного заранее минимального значения частоты S вращения первичного двигателя.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы, на которых в качестве первичного двигателя выбирают дизельный двигатель, в качестве генератора выбирают генератор переменного тока, имеющий входной вал, и непосредственно соединяют выходной вал первичного двигателя с входным валом генератора.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы работы генератора без возбуждения поля, изменения частоты S вращения первичного двигателя для максимального повышения кпд генератора и выбора генератора так, чтобы ощутимая электрическая выходная мощность, более чем примерно 5% от пиковой мощности, вырабатывалась только при превышении выбранного заранее минимального значения частоты S вращения первичного двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5