автономная электромашинная установка

Формула изобретения

АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОМАШИННАЯ УСТАНОВКА, содержащая силовой электромашинный агрегат, снабженный генератором и двигателем постоянного тока для привода рабочего механизма, дополнительный электромашинный агрегат, составленный из установленных на общем валу маховика и генератора постоянного тока, две аккумуляторные батареи, зажимы каждой из которых через соответствующие контакты первой группы подключены к якорной цепи двигателя постоянного тока, выпрямитель для заряда аккумуляторных батарей, выводы постоянного тока которого соединены с зажимами аккумуляторных батарей, к которым через соответстующие контакты второй группы подключена якорная обмотка генератора постоянного тока, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, генератор силового электромашинного агрегата выполнен синхронным, на вал которого установлены второй маховик и якорь двигателя постоянного тока, на валу генератора постоянного тока дополнительного электромашинного агрегата установлен асинхронный двигатель с фазным ротором и выпрямителем в роторной цепи, выводы постоянного тока которого соединены с якорной цепью двигателя постоянного тока, а выводы статорной обмотки указанного асинхронного двигателя через дополнительно введенные симисторы и выводы переменного тока выпрямителя для подзаряда аккумуляторных батарей связаны с выводами статорной обмотки синхронного генератора, обмотка возбуждения которого и обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключены через упомянутые контакты первой группы к зажимам аккумуляторных батарей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве двигательной установки для транспортных средств и как автономный источник электроэнергии для временного питания потребителей трехфазного переменного тока, например как резервный источник электроэнергии на электростанциях и на судах.

Известна автономная электромашинная установка [1] используемая в качестве привода транспортного средства электромобиля, содержащая генератор переменного тока с приводным двигателем на валу, электродвигатель постоянного тока для привода рабочего механизма колеса электромобиля, группу аккумуляторных батарей, подключенных через выпрямитель и преобразующий узел к зажимам генератора переменного тока, причем выводы постоянного тока выпрямителя соединены с якорной цепью двигателя постоянного тока, обмотка возбуждения которого через управляемый выпрямитель связана с зажимами генератора переменного тока.

Недостатком такой установки является низкий ресурс ее работы, так как имеется только одна аккумуляторная батарея.

Известна также автономная электромашинная установка [2] которая содержит силовой электромашинный агрегат, снабженный генератором и двигателем постоянного тока для привода рабочего механизма, дополнительный электромашинный агрегат, составленный из установленных на общем валу маховика и генератора постоянного тока, две аккумуляторные батареи, зажимы каждой из которых через соответствующие контакты первой группы подключены к якорной цепи двигателя постоянного тока, выпрямитель для заряда аккумуляторной батареи, выводы постоянного тока которого соединены с зажимами аккумуляторных батарей, к которым через соответствующие контакты второй группы подключена якорная обмотка генератора постоянного тока.

В известной электромашинной установке решается задача увеличения продолжительности работы аккумуляторных батарей без заряда от внешнего источника, а следовательно, и увеличения дальности пробега транспортного средства. Указанная задача решается периодическим переключением аккумуляторных батарей с режима работы на режим подзаряда, который осуществляется от генератора постоянного тока, приводимого двигателем внутреннего сгорания за счет расхода топлива, а также за счет использования кинетической энергии движущегося транспортного средства.

Недостатком такой установки является низкий КПД.

Целью изобретения является повышение КПД.

Цель достигается тем, что в автономной электромашинной установке, содержащей силовой электромашинный агрегат, снабженный генератором и двигателем постоянного тока для привода рабочего механизма, дополнительный электромашинный агрегат, составленный из установленных на общем валу маховика и генератора постоянного тока, две аккумуляторные батареи, зажимы каждой из которых через соответствующие контакты первой группы подключены к якорной цепи двигателя постоянного тока, выпрямитель для заряда аккумуляторных батарей, выводы постоянного тока которого соединены с зажимами аккумуляторных батарей, к которым через соответствующие контакты второй группы подключена якорная обмотка генератора постоянного тока, генератор силового электромашинного агрегата выполнен синхронным, на его валу установлены второй маховик и якорь двигателя постоянного тока, на валу генератора постоянного тока дополнительного электромашинного агрегата установлен асинхронный двигатель с фазным ротором и выпрямителем в роторной цепи, выводы постоянного тока которого соединены с якорной цепью двигателя постоянного тока, а выводы статорной обмотки асинхронного двигателя через введенные симисторы и выводы переменного тока выпрямителя для подзаряда аккумуляторных батарей связаны с выводами статорной обмотки синхронного генератора, обмотка возбуждения которого и обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключены через упомянутые контакты первой группы к зажимам аккумуляторных батарей.

На чертеже представлена принципиальная схема автономной электромашинной установки.

Автономная электромашинная установка содержит силовой электромашинный агрегат, снабженный двигателем 1 постоянного тока для привода рабочего механизма и синхронным генератором 2, и дополнительный электромашинный агрегат, составленный из установленных на общем валу маховика 3 и генератора 4 постоянного тока. Автономная электромашинная установка содержит также две аккумуляторные батареи 5, 6, зажимы каждой из которых через контакты 7, 8 первой группы подключены к якорной цепи двигателя 1 постоянного тока, выпрямитель 9 для заряда аккумуляторных батарей, выводы постоянного тока которого через контакты 10 подключены к зажимам аккумуляторных батарей. С ними через контакты 11 и контакты 12, 13 второй группы связана якорная обмотка генератора 4 постоянного тока, на валу которого установлен асинхронный двигатель 14 с фазным ротором и выпрямителем 15 в роторной цепи. На валу синхронного генератора 2 установлены второй маховик 16 и якорь 17 двигателя постоянного тока для привода рабочего механизма. Выводы статорной обмотки асинхронного двигателя через введенные симисторы 18 и контакты 19 и выводы переменного тока выпрямителя 9 через контакты 20 подключены к статорной обмотке синхронного генератора, подключаемой к сети 21. Обмотки возбуждения генератора постоянного тока и синхронного генератора через контакты 22 и контакты 7, 8 первой группы связаны с зажимами аккумуляторных батарей 5, 6.

Автономная электромашинная установка работает следующим образом.

В длительном режиме контакты 7, 15, 23, 11, 22, 20, 19 замкнуты, контакты 10, 8, 12 разомкнуты. Симисторы 18 работают в импульсном режиме и управляются импульсами от бесконтактного полупроводникового реле времени.

Двигатель 1 постоянного тока питается от аккумуляторной батареи 5 и вращает ротор синхронного генератора 2 и привод рабочей машины (например, силовую передачу транспортного средства). От обмотки статора синхронного генератора 2 питаются асинхронный двигатель 14 и выпрямитель 9. Дополнительный электромашинный агрегат 8 в этом случае работает как валогенератор.

Асинхронный двигатель 14 с фазным ротором подключен к обмотке синхронного генератора 2, управляется симисторами 18 и работает в импульсно-инерционном режиме. Так как в этом режиме асинхронный двигатель 14 работает с повышенным скольжением, то с целью использования энергии скольжения с контактным кольцам ротора асинхронного двигателя 14 подключен выпрямитель 15, от которого запитан якорь двигателя постоянного и энергия скольжения передается приводному двигателю 1. В этом случае асинхронный двигатель 14 и приводной двигатель 1 постоянного тока работают по схеме вентильного каскада. Асинхронный двигатель 14 вращает якорь генератора 4 постоянного тока, от которого питается зарядным током аккумуляторная батарея 6, находящаяся в режиме заряда. Аккумуляторные батареи 5 и 6 некоторое время работают попеременно и периодически в режиме разряда и заряда, а затем по достижении оптимальной величины разряда включаются параллельно и работают в режиме непрерывного разряда, заряжаясь только во время электрического торможения.

Время периодов работающих раздельно аккумуляторных батарей в режиме разряда и заряда и время последующей параллельной работы аккумуляторных батарей, а также зарядный ток аккумуляторной батареи, находящейся в режиме заряда, выбираются такими, чтобы достигалась максимальная продолжительность разряда аккумуляторных батарей.

В режиме электрического торможения при движении транспортного средства по инерции контакты 12, 15, 10,7, 20 замкнуты, а контакты 11, 8, 13, 22, 18 разомкнуты. Ротор синхронного генератора 2 продолжает вращаться от силовой передачи транспортного средства, движущегося по инерции, и синхронный генератор вырабатывает электроэнергию, которая через выпрямитель 9 идет на заряд аккумуляторных батарей. При электрическом торможении кинетическая энергия движущегося по инерции транспортного средства превращается в электрическую и запасается в аккумуляторе. Дозарядка аккумуляторных батарей в этом случае производится ускоренным режимом при максимально допустимом зарядном токе в соответствии с законом ампер-часов.

В режиме заряда аккумуляторных батарей от внешнего источника трехфазного тока контакты 10, 12, 13 замкнуты, а контакты 7, 8, 23, 11, 18 разомкнуты. К штекерному разъему подключается внешний источник 21 трехфазного тока, и, установив с помощью регулируемого выпрямителя 9 зарядный ток, в соответствии с выбранным режимом производят заряд аккумуляторных батарей.

В последнее время уделяется большое внимание электромобилям, где в качестве источника энергии используются аккумуляторные батареи. К сожалению дальность пробега электромобиля ограничивается запасом энергии в аккумуляторе. Желательно иметь возможность увеличения дальности пробега. Эта цель достигается данной автономной установкой при использовании ее в качестве двигательной установки для транспортного средства за счет увеличения продолжительности разряда аккумуляторных батарей. Продолжительность разряда аккумуляторных батарей и, следовательно, дальность пробега транспортного средства в автономном каскаде достигается выбором режимов заряда и подзаряда аккумуляторных батарей, а также накоплением в аккумуляторах электрической энергии, полученной за счет использования кинетической энергии вращающихся масс дополнительного электромашинного агрегата и кинетической энергии транспортного средства при электрическом торможении.

С целью использования кинетической энергии вращающихся масс маховика и электрических машин дополнительного агрегата 14 асинхронный двигатель работает в импульсно-инерционном режиме, заключающемся в том, что двигатель после завершения процесса пуска периодически кратковременно отключается и работает с относительной продолжительностью включения

где t₁ продолжительность включения, с;

t₂ продолжительность отключения, с.

При уменьшении скольжение S возрастает, так как ротор более длительные периоды времени вращается по инерции, что приводит к большей потери скорости. Период времени выбирают с таким расчетом, чтобы скорость двигателя снижалась до оптимальной величины и скольжение S было меньше критического скольжения S_k.

Включение и выключение асинхронного двигателя осуществляется при помощи симистора 18, управляемого от бесконтактного полупроводникового реле времени.

В период времени t₂ асинхронный двигатель отключен от обмотки синхронного генератора, не потребляет электроэнергию, второй агрегат работает в режиме выбега. Кинетическая энергия вращающихся масс этого агрегата с помощью генератора 4 постоянного тока превращается в электрическую и запасается в аккумуляторе.

Кинетическая энергия вращающихся масс за период времени равна

A_к= j j где А_к кинетическая энергия вращающихся масс электромашинного агрегата с маховиком 3;

₁- угловая скорость ротора в момент отключения;

₂- угловая скорость, до которой снижается скорость за время t₂;

j момент инерции вращающихся масс агрегата.

Таким образом, использование кинетической энергии вращающихся масс электрических машин и маховика дополнительного зарядного электромашинного агрегата позволит повысить КПД установки и дополнительно увеличить продолжительность ее работы, например, в качестве автономного резервного источника электроэнергии для питания потребителей переменного тока.