RU45056U1

RU45056U1 - AUTONOMOUS POWER PLANT

Info

Publication number: RU45056U1
Application number: RU2004138618/22U
Authority: RU
Inventors: А.Е. Загорский; А.П. Ливинский; Ю.Г. Шакарян; В.П. Юняев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электроэнергетики"; Открытое акционерное общество "Инженерный центр энергетики Урала"
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2005-04-10

Abstract

Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным электростанциям, вырабатывающим электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной скорости вращения первичного теплового двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания. Задача, решаемая полезной моделью - снизить стоимость, массу и габариты устройства. Автономная электростанция содержит двигатель внутреннего сгорания, установленный на его валу синхронный генератор и преобразователь частоты на выходе синхронного генератора. В нее введен коммутатор, включенный между выходами синхронного генератора и преобразователя частоты. Полезная модель дополнительно предусматривает выполнение преобразователя частоты по схеме выпрямитель - инвертор и подключение накопителя в виде аккумуляторной батареи к выходу выпрямителя в составе преобразователя, а также параллельную работу синхронного генератора с дополнительно введенным синхронным генератором, установленным на валу гидро- или ветродвигателя, обеспечиваемую с помощью дополнительно введенного выпрямителя.The utility model relates to the electric power industry and, in particular, to autonomous power plants generating electricity of a stable frequency and stable voltage at a variable rotation speed of a primary heat engine, for example, an internal combustion engine. The task solved by the utility model is to reduce the cost, weight and dimensions of the device. An autonomous power station contains an internal combustion engine, a synchronous generator mounted on its shaft and a frequency converter at the output of the synchronous generator. A switch is inserted into it, connected between the outputs of the synchronous generator and the frequency converter. The utility model additionally provides for the implementation of the frequency converter according to the rectifier - inverter circuit and connecting the drive in the form of a battery to the output of the rectifier in the converter, as well as the parallel operation of a synchronous generator with an additional synchronous generator installed on the shaft of a hydraulic or wind turbine, which is provided with the help of introduced rectifier.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным электростанциям, вырабатывающим электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при переменной скорости вращения первичного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Такие электростанции находят применение, например, для автономного или резервного питания потребителей электроэнергии в тех районах, где централизованное электропитание отсутствует или недостаточно надежно.The utility model relates to the electric power industry and, in particular, to autonomous power plants that generate electricity of a stable frequency and stable voltage at a variable speed of rotation of a primary internal combustion engine (ICE). Such power plants are used, for example, for autonomous or standby power consumers in areas where centralized power is absent or insufficiently reliable.

Уровень техникиState of the art

Известна автономная электростанция на базе ДВС и синхронного генератора, в которой стабилизация частоты тока генератора достигается стабилизацией скорости вращения первичного дизельного двигателя [1]. Недостатком устройства [1] является повышенный расход топлива, высокий уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, повышенная степень закоксовывания дизельного двигателя.Known autonomous power plant based on the internal combustion engine and a synchronous generator, in which the stabilization of the frequency of the current generator is achieved by stabilizing the rotation speed of the primary diesel engine [1]. The disadvantage of the device [1] is the increased fuel consumption, a high level of emissions of harmful substances into the atmosphere, an increased degree of coking of the diesel engine.

Известна, выбранная в качестве прототипа, автономная электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора и систему управления [2].Known, selected as a prototype, an autonomous power plant containing an internal combustion engine, a synchronous generator, a frequency converter installed at the output of a synchronous generator and a control system [2].

Стабилизация частоты и напряжения при переменной скорости вращения двигателя внутреннего сгорания в устройстве [2] обеспечивается соответствующими воздействиями системы управления на преобразователь частоты и па синхронный генератор.The stabilization of the frequency and voltage at a variable speed of rotation of the internal combustion engine in the device [2] is provided by the corresponding actions of the control system on the frequency converter and the synchronous generator.

Недостаток прототипа - повышенные стоимость и массогабаритные показатели, связанные с необходимостью использовать преобразователь частоты большой установленной мощности и соответствующими ей массой и габаритами.The disadvantage of the prototype is the increased cost and overall dimensions associated with the need to use a frequency converter of large installed power and its corresponding mass and dimensions.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Задача полезной модели - снизить стоимость, массу и габариты устройства.The objective of the utility model is to reduce the cost, weight and dimensions of the device.

Предметом полезной модели является автономная электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания, установленный на его валу синхронный генератор и преобразователь частоты на выходе синхронного генератора, отличающаяся, согласно полезной модели, тем, что в нее введен управляемый коммутатор, включенный между выходами синхронного генератора и преобразователя частоты.The subject of a utility model is an autonomous power plant containing an internal combustion engine, a synchronous generator mounted on its shaft and a frequency converter at the output of the synchronous generator, characterized, according to the utility model, in that a controlled switch is inserted that is connected between the outputs of the synchronous generator and the frequency converter.

Это позволяет уменьшить установленную мощность преобразователя частоты и, соответственно, стоимость и массогабаритные показатели устройства в целом.This allows you to reduce the installed power of the frequency converter and, accordingly, the cost and overall dimensions of the device.

Полезная модель имеет развития.The utility model has development.

Согласно первому из них преобразователь частоты может быть выполнен в виде последовательно включенных выпрямителя и инвертора.According to the first of them, the frequency converter can be made in the form of a series-connected rectifier and inverter.

Дальнейшее развитие предусматривает введение накопителя энергии и его подключение к выходу выпрямителя в составе преобразователя.Further development involves the introduction of an energy storage device and its connection to the output of the rectifier in the converter.

Согласно следующему развитию электростанция может дополнительно содержать ветряной или гидравлический двигатель и установленный на его валу синхронный генератор, который через дополнительно введенный выпрямитель подключен к выходу выпрямителя в составе преобразователя частоты.According to a further development, the power plant may further comprise a wind or hydraulic engine and a synchronous generator mounted on its shaft, which is connected via an additionally introduced rectifier to the output of the rectifier in the frequency converter.

Развития полезной модели позволяют обеспечить ее соответствие конкретным условиям и предъявляемым требованиям в частных случаях применения. Например, при коммутациях нагрузки, соизмеримой с мощностью двигателя, или при частых коммутациях нагрузки автономную электростанцию для дополнительного увеличения устойчивости и экономии топлива целесообразно снабдить выходным накопителем энергии в виде аккумуляторной батареи. При использовании в составе электростанции двигателя внутреннего сгорания совместно с двигателем, The development of the utility model makes it possible to ensure its compliance with specific conditions and requirements in particular applications. For example, with load switching commensurate with engine power, or with frequent switching of the load, it is advisable to provide an autonomous power station with an output energy storage device in the form of a battery to further increase stability and save fuel. When used as part of a power plant, an internal combustion engine in conjunction with an engine,

работающем на возобновляемом источнике энергии, например ветродвигателем, целесообразно осуществить их параллельную работу на общую шину постоянного тока с использованием дополнительно введенного выпрямителя.working on a renewable energy source, such as a wind turbine, it is advisable to carry out their parallel work on a common DC bus using an additional rectifier.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлена блок-схема автономной электростанции с учетом развития полезной модели.Figure 1 presents a block diagram of an autonomous power plant, taking into account the development of a utility model.

Осуществление полезной модели На блок-схеме показаны:Implementation of the utility model. The block diagram shows:

1 - двигатель внутреннего сгорания, например дизельный двигатель;1 - internal combustion engine, for example a diesel engine;

2 - синхронный генератор, установленный на валу 3 двигателя 1;2 - a synchronous generator mounted on the shaft 3 of the engine 1;

4 - преобразователь частоты на выходе генератора 2;4 - frequency converter at the output of the generator 2;

5 - выпрямитель в составе преобразователя 4;5 - rectifier in the composition of the Converter 4;

6 - инвертор в составе преобразователя 4;6 - inverter as part of the Converter 4;

7 - управляемый коммутатор7 - managed switch

8 - ветряной или гидравлический двигатель;8 - wind or hydraulic engine;

9 - синхронный генератор, установленный на валу двигателя 8;9 - a synchronous generator mounted on the shaft of the engine 8;

10 - дополнительно введенный выпрямитель;10 - additionally introduced rectifier;

11 - накопитель энергии, например аккумуляторная батарея;11 - energy storage device, for example a storage battery;

12 - шина постоянного тока;12 - DC bus;

13 - система управления, снабженная необходимыми датчиками (не показаны на фиг.1).13 is a control system equipped with the necessary sensors (not shown in figure 1).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Двигатель 1 приводит во вращение вал 3 с установленным на нем синхронным генератором 2.The engine 1 drives the shaft 3 with the synchronous generator 2 installed on it.

Напряжение переменной частоты с выхода генератора 2 подается на преобразователь 4, выходные параметры которого определяются воздействиями системы 13.The voltage of a variable frequency from the output of the generator 2 is supplied to the converter 4, the output parameters of which are determined by the effects of the system 13.

Подавая соответствующие управляющие воздействия на генератор 2 и преобразователь 4, система 13 обеспечивает требуемые стабильные By supplying the appropriate control actions to the generator 2 and converter 4, the system 13 provides the required stable

значения напряжения и частоты на выходной шине 14, к которой подключается нагрузка электростанции.the voltage and frequency values on the output bus 14, to which the load of the power plant is connected.

Если величина нагрузки двигателя 1 не превышает некоторого значения, например, половины номинальной нагрузки, коммутатор 7 находится в отключенном состоянии. При этом электроэнергия на шину 14 поступает от инвертора 6.If the load value of the engine 1 does not exceed a certain value, for example, half of the rated load, the switch 7 is in the off state. When this electric power to the bus 14 comes from the inverter 6.

При увеличении нагрузки до указанного значения система 13 управления включает коммутатор 7 и выводит из работы выпрямитель 5. В этом режиме нагрузка, подключенная к шине 14, питается электроэнергией непосредственно от генератора 2 и потери в преобразователе 4 исключаются.When the load increases to the specified value, the control system 13 turns on the switch 7 and puts the rectifier 5 out of operation. In this mode, the load connected to the bus 14 is powered by electricity directly from the generator 2 and losses in the converter 4 are eliminated.

Требуемая установленная мощность преобразователя 4 (и, соответственно, его габариты, масса и стоимость) при таком его использовании могут быть снижены.The required installed power of the Converter 4 (and, accordingly, its dimensions, weight and cost) with this use can be reduced.

В результате проведенных исследований было установлено, что основная экономия топлива от питания нагрузки через преобразователь частоты при переменной скорости вращения ДВС получается при нагрузках менее половины номинальной. Поэтому шунтировать преобразователь 4 коммутатором 7 целесообразно, начиная с этого значения нагрузки.As a result of the studies, it was found that the main fuel economy from supplying the load through the frequency converter with a variable speed of rotation of the internal combustion engine is obtained at loads less than half the nominal. Therefore, it is advisable to shunt converter 4 by switch 7, starting from this load value.

Преобразователь 4 частоты может быть выполнен по схеме непосредственного преобразования частоты или в виде последовательно включенных выпрямителя и инвертора.The frequency converter 4 can be performed according to a direct frequency conversion circuit or in the form of a rectifier and an inverter connected in series.

В последнем случае к выходу выпрямителя 6 может быть подключен накопитель 11 в виде батареи аккумуляторов.In the latter case, the drive 11 in the form of a battery of batteries can be connected to the output of the rectifier 6.

Накопитель 11 обеспечивает стабилизацию параметров в динамических режимах. Накапливая и возвращая энергию, он компенсирует скачки (пики, провалы) энергии, разгружая от них электростанцию. Это облегчает поддержание требуемых значений напряжения и скорости вращения при коммутациях нагрузки и, тем самым, обеспечивает The drive 11 provides stabilization of parameters in dynamic modes. Accumulating and returning energy, it compensates for energy surges (peaks, dips), unloading the power station from them. This facilitates the maintenance of the required voltage and rotation speed during load switching and, thus, provides

дополнительную экономию топлива, поскольку исключает «перегазовку» двигателя 1. В стационарных режимах накопитель 11 может быть использован в качестве резервного источника энергии.additional fuel economy, since it eliminates the "overgassing" of engine 1. In stationary modes, drive 11 can be used as a backup energy source.

В случае совместного использования двигателя 1 с двигателем 8, снабженным синхронным генератором 9, целесообразно объединить генераторы 2 и 9 для параллельной работы на шину 12 с помощью выпрямителя 10.In the case of joint use of the engine 1 with the engine 8, equipped with a synchronous generator 9, it is advisable to combine the generators 2 and 9 for parallel operation on the bus 12 using a rectifier 10.

В этом случае система 13, воздействуя на регулятор подачи топлива двигателя 1, а также на напряжение обмоток возбуждения генераторов 2 и 9 и, в случае необходимости, на управление выпрямителем 10 и инвертором 6, может осуществлять перераспределение нагрузок генераторов 2, 9 и двигателей 1, 8 в широких диапазонах изменения скорости ветра и скоростей вращения ДВС. При разомкнутом коммутаторе 7 генераторы 2 и 9 работают параллельно на шину 12, а при замкнутом коммутаторе 7 - на шину 14, к которой генератор 9 подключается через выпрямитель 10 и инвертор 6.In this case, the system 13, acting on the fuel supply regulator of the engine 1, as well as on the voltage of the field windings of the generators 2 and 9 and, if necessary, to control the rectifier 10 and inverter 6, can redistribute the loads of the generators 2, 9 and motors 1, 8 in wide ranges of changes in wind speed and engine speed. When the switch 7 is open, the generators 2 and 9 operate in parallel on the bus 12, and when the switch 7 is closed, on the bus 14, to which the generator 9 is connected through the rectifier 10 and the inverter 6.

Источники информацииSources of information

1. П.А.Мещанинов. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л., Судостроение, 1970, с.156-162.1. P.A. Meshchaninov. Automation of ship electric power systems. L., Shipbuilding, 1970, p. 156-162.

2. Патент РФ №34817 на полезную модель. МПК H 02 J 3/00, 2003 г.2. RF patent No. 34817 for utility model. IPC H 02 J 3/00, 2003

Claims

1. Autonomous power plant containing an internal combustion engine, a synchronous generator mounted on its shaft and a frequency converter at the output of the synchronous generator, characterized in that a controllable switch is inserted in it, connected between the outputs of the synchronous generator and the frequency converter.

2. Autonomous power station according to claim 1, characterized in that the frequency converter is made in the form of series-connected rectifier and inverter.

3. The stand-alone power plant according to claim 2, characterized in that an additionally introduced energy storage device is connected to the output of the rectifier.

4. Autonomous power station according to claim 2 or 3, characterized in that it further comprises a wind or hydraulic engine and a synchronous generator mounted on its shaft, which is connected through an additional rectifier to the output of the rectifier in the frequency converter.