Автономная дизель-электрическая установка — SU 1467730 (original) (raw)
(51)4 Н 02 Р 9/04 РЕТЕНИЯ И АВТОРСКОМ 4 Р ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТпо изоб етениям и о 1 Ж цтиямгеи гкнт сссР ПИСАНИЕ ИЗ(56) Авторское свидетельство СССРФ 466600, кл. Н 02 Р 9/46, 1975.Авторское свидетельство СССРУ 87771, кл. Н 02 Р 9/04, 1981.(57) 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 датчикаскольжения 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 числапар полюсов на критических частотахвращения вала. Наряду с этим осуществляется регулирование частотывращения вала двигателя в функцииот величины нагрузки по заранеерассчитанной оптимальной зависимости. 4 ил.Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в электроэнергетических установках.Цель изобретения " повышение эко 5 комичности.На,фиг.1 представлена Функциональная схема автономной дизель- электрической установки, на Фиг,2 - статические характеристики датчика 10 тока нагрузки и функционального преобразователя частоты вращения; на фиг.З - схема полупроводникового переключателя; на фиг.4 - схема многопорогового устройства с п-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 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 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 и- позиционных коммутатора 10-12, многопороговое устройство 13, и-канальный выход которого подключен к и-ка 40 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 многопорогового устройства 13 и первому входу устройства 9 сравнения, источник 15 опорного напряжения и полупроводни 50 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 источ 55 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 и- позиционного коммутатора 10.Автономная дизель-электрическая установка работает следующим образом.Регулятор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования частоты вращения с воэможностью адаптивного управления соединением обмоток в статоре датчика скольжения и роторе и статоре асинхронизированного синхронного генератора в зависимости от значений частоты вращения вала. Задающее воздействие Формируется датчиком 7 тока нагрузки (Фиг.1 сигнал Бц)На фиг2 приведена статическая характеристика 17 датчика 7 тока нагрузки в виде зависимости Б= ЕИ ), где 0.н - выходной сигнал датчика; 1- 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 У 1 Й(п), где и - частота вращения Ц ,- выходной сигнал, являет14677304где Г - частота напряжения задатчика частоты 5Р - число пар полюсов на статоре машины.Поскольку ротор датчика 3 скольжения вращается с частотой вращениявала, то создаваемое магнитное полев датчике пересекает обмотки роторас частотой вращения, которая может.быть определена выражением ся оптимальной зависимостью регулирования частоты вращения для данного типа дизеля. Таким образом,сигнал 0, характеризует величинуоптимальной нагрузки для имеющейсяна валу двигателя на данный моментвремени частоты вращения,Для целого ряда дизелей оптимальная зависимость регулирования частоты вращения в функции от нагрузкиявляется линейной (кривая 19,фиг,2) .В этом случае в качестве функционального преобразователя частотыможет использоваться тахогенератор,наклон статической характеристикикоторого выбирается соответствующим сопротивлением нагрузки в цепиякоря. При нелинейном характере оптимальной зависимости частоты вращения от нагрузки тахогенератор должен быть снабжен полупроводниковымпреобразователем, статическая характеристика которого может бытьв общем случае нелинейной (кривая18, фиг,2),Датчик 7 тока нагрузки и функциональный преобразователь 14 частотывращения подстроены таким образам,что сигналы Б н и Бмогут бытьприблизительно равны лишь на частотевращения оптимальной для данной нагрузки, т.е. обеспечивающей минимумрасхода топлива и воздуха. При любыхотклонениях частоты вращения от оптимальной для данной нагрузки сигналБ изменяется и не будет равным сигналу П. Аналогичным образом при любых отклонениях Бравенство сигналов нарушается (фиг,25 У н 5 Ю 655, итолько на частоте вращения и, оптимальной для текущей нагрузкир н,=0 )60 Е 6 РВ 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 йз. В результате в воздушном зазоре машины возникает магнитное поле, частота вращения которого может быть определена выражением зппп -ирПреобразователь 4 частоты можетбыть выполнен в виде блока, усилнвающего сигнал, снимаемый с обмотокротора датчика 5 скольжения по мощности. Примером конкретного исполнения такого блока может служить непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией вентильных групп. При этом частота сигнала на выходе такого преобразователя такая же, как и частота выходно го сигнала с датчика 5 скольжения.В результате трехфаэное напряжениес частотой Г, с выхода преобразователя 4 частоты через контактные кольца подается в ротор генератора 3, 30 обеспечивая возникновение в роторевращающегося магнитного поля. Частота вращения этого поля относительно тела вращающегося ротора определяется выражением 35 6011 60 г прРРг Рг 6060 йз и Р,Р Р 5 где Р- число пар полюсов на ротореасинхронизированного генератора.Тогда частота вращения поля в воздушном зазоре генератора 3 (фиг.1) определяется выражением П О+ П рпп П.Частота.электродвижущей силы,наводимой в обмотках статора генератора 3, определяется в этом случае 50 выражением, с учетом предыдущихвыражений Р г и (и р+п)Ргф 60 60 55 пр Рр Рр 606 р пр Р5 14Из 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 2 эадатчика 6 частоты.Процесс регулирования продолжается до тех пор, пока не выполнится ,равенство П , 0 ,+ 8Частота м, (и фиг.2), соответствующая 01.- о минимальная допустимая частота вращения, при которой дизель работает устойчиво. На холостом ходу дизель- генератор работает на минимальной устойчивой 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 (Ои,),полупроводниковый переключатель 16 по-прежнему подключает к устройству 9 сравнения выход источника 15 опорного напряжения и процесс регулирования относительно значения п, остается неизменным.При нагрузках, на которых с датчика 7 тока нагрузки сигнал Б 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 П, т.е. до равенства Б н и 0 , который в случае равенства будет соответствовать новым оборотам, оптимальным 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 п-позиционнымн коммутаторами 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 генерато- .ра 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 вращениявала значений, характеризующих критический уровень скольжения, на многопороговое устройство 13 с функ-.ционального преобразователя частоты вращения в сигнал, пропорциональный величине оптимальной нагрузки двигателя 14, подается напряжение 0 которое совпадает с одной иэ уставок многопорогового устройства 13.В результате многопороговое устройство 13 вьдает сигнал на и-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 скоростью - магнитное поле в воздушном зазоре датчика 5 скольжения или его ротор. Это означает что, если при новом числе пар полю.20 1создаются на частота 2 П 01 3 и"1- и, - п и т.д. и при соответствующем числе пар полюсов 2 Р о, 3 Р4 Р, 5 Р, бР и т.д где Рчисло пар полюсов, соответствующеепервоначальной синхронной скорости.В этом случае потери в стали роторагенератора 3 отсутствуют вовсе, таккак в ротор генератора 3 подаетсяпостоянный ток. В остальном диапазоне частот вращения переключениямичисла пар полюсов регулятор снижаетзначения скольжений и тем самым снижает частоту напряжения возбуждения, т.е. потери в стали ротора. 25 30 35 Так как при переключении числа пар полюсов на роторе генератора 3 изменяется полюсное деление генера тора 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 много- пороговое устройство 13 одновременно управляет и-позиционными комму 50 таторами 10 - 12, и-позиционный коммутатор 8 соединяет катушечные группы обмотки статора генератора 3(фиг. 1) таким образом, чтобы шаг.обмотки и полюсное деление генера 55 тора, получаемое при переключении числа пар полюсов, были в необходимом соотношении по условиям синусосов необходимо изменять направление вращения магнитного поля относительно тела ротора генератора 3 (например, при переходе через синхрон 5 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 синхрон ного генератора и всего устройства в целом при соответстгующих переключениях обмотки ротора генератора 3 и датчика 5 скольжения (фиг.1) идальности кривой выходного напряже,ния.Таким образом, изобретение позволяет обеспечить снижение энергетических потерь за 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 изобретенияАвтономная 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, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения экономичности, установка снабжена тремя и-позиционными коммутаторами, иногопороговым устройством, и-канальнйй 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, первый9 14 б 7730 овход - 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 коммутатормутатора в качестве датчика сколь 5Эрасположен 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 пратора выполнена секционированной с позиционного коммутатора.1467730Составитель 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 СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101