RU2046042C1 - Self-sustained motor-generator plant - Google Patents

Abstract

FIELD: vehicle traction plants, self-sustained three-phase stand-by power source. SUBSTANCE: synchronous generator 2 is used in power plant, and DC motor of drive mechanism is mounted on generator shaft. Mounted on shaft of additional dynamoelectric set is flywheel 16 and induction motor 14 with phase-wound rotor connected through rectifier to armature circuit of motor 1 and through contacts 12 and 13 to terminals of storage batteries used to supply motor 1. Batteries can be charged through rectifier 9 by synchronous generator 2 on shaft of which flywheel 16 is mounted. EFFECT: increased efficiency of plant and its service life owing to use of kinetic energy of rotating masses of electric machines and flywheels. 1 dwg

Description

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. The invention relates to electrical engineering and can be used as a propulsion system for vehicles and as an autonomous source of electricity for temporary power supply to consumers of three-phase alternating current, for example, as a backup source of electricity at power plants and on ships.

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. A known autonomous machine installation [1] used as an electric vehicle vehicle drive, comprising an alternating current generator with a drive motor on the shaft, a direct current electric motor for driving the electric wheel drive mechanism, a group of rechargeable batteries connected through a rectifier and a converting unit to the terminals of the alternating current generator moreover, the DC terminals of the rectifier are connected to the anchor circuit of the DC motor, the excitation winding of which through indications will rectifier connected to terminals of the alternator.

Недостатком такой установки является низкий ресурс ее работы, так как имеется только одна аккумуляторная батарея. The disadvantage of this installation is the low resource of its operation, since there is only one battery.

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. A stand-alone electric machine installation [2] is also known which contains a power electric machine unit equipped with a generator and a direct current motor for driving a working mechanism, an additional electric machine unit composed of flywheel and a direct current generator mounted on a common shaft, two rechargeable batteries, each of which is clamped through the corresponding contacts of the first group are connected to the anchor circuit of a DC motor, a rectifier for charging the battery, and which are connected to terminals of batteries to which through respective contacts of the second group connected to the armature winding of the DC generator.

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. In the well-known electric machine installation, the problem of increasing the battery life without charging from an external source, and therefore increasing the range of the vehicle, is solved. This problem is solved by periodically switching the batteries from the operating mode to the charging mode, which is carried out from a direct current generator driven by an internal combustion engine due to fuel consumption, as well as through the use of kinetic energy of a moving vehicle.

Недостатком такой установки является низкий КПД. The disadvantage of this installation is the low efficiency.

Целью изобретения является повышение КПД. The aim of the invention is to increase efficiency.

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. The goal is achieved by the fact that in a stand-alone electric machine installation containing a power electric machine unit equipped with a generator and a direct current motor for driving the working mechanism, an additional electric machine unit composed of flywheel and direct current generator installed on a common shaft, two rechargeable batteries, each of which has clamps through the corresponding contacts of the first group are connected to the anchor circuit of a DC motor, a rectifier for charging batteries, DC outputs the current of which is connected to the battery clamps, to which the anchor winding of the DC generator is connected through the corresponding contacts of the second group, the generator of the power machine unit is synchronous, the second flywheel and the armature of the DC motor are installed on its shaft, and the DC generator of the additional machine unit is installed on the shaft an asynchronous motor with a phase rotor and a rectifier in the rotor circuit is installed, the DC terminals of which are connected to the armature circuit of the motor a direct current generator, and the leads of the stator winding of the induction motor through the input triacs and the leads of an alternating current rectifier for recharging the batteries are connected to the leads of the stator winding of the synchronous generator, the field winding of which and the field winding of the direct current generator are connected to the battery terminals through the mentioned contacts of the first group.

На чертеже представлена принципиальная схема автономной электромашинной установки. The drawing shows a schematic diagram of a stand-alone electric machine installation.

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. Autonomous electric machine installation contains a power electric machine unit equipped with a DC motor 1 for driving the working mechanism and a synchronous generator 2, and an additional electric machine unit composed of flywheel 3 and a direct current generator 4 mounted on a common shaft. A stand-alone electric machine installation also contains two rechargeable batteries 5, 6, the clamps of each of which are connected to the anchor circuit of a DC motor 1 through contacts 7, 8 of the first group, and a rectifier 9 for charging rechargeable batteries, the DC terminals of which are connected through terminals 10 to the battery terminals batteries. An anchor winding of the DC generator 4 is connected with them through contacts 11 and contacts 12, 13 of the second group, on the shaft of which an induction motor 14 with a phase rotor and a rectifier 15 in the rotor circuit is installed. A second flywheel 16 and an anchor 17 of the DC motor for driving the operating mechanism are mounted on the shaft of the synchronous generator 2. The findings of the stator winding of the induction motor through the input triacs 18 and contacts 19 and the AC terminals of the rectifier 9 through contacts 20 are connected to the stator winding of the synchronous generator connected to the network 21. The excitation windings of the DC generator and synchronous generator through contacts 22 and contacts 7, 8 of the first groups are associated with battery terminals 5, 6.

Автономная электромашинная установка работает следующим образом. Autonomous machine installation works as follows.

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. In continuous mode, contacts 7, 15, 23, 11, 22, 20, 19 are closed, contacts 10, 8, 12 are open. Triacs 18 operate in a pulsed mode and are controlled by pulses from a proximity semiconductor time switch.

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. The DC motor 1 is powered by a battery 5 and rotates the rotor of the synchronous generator 2 and the drive of the working machine (for example, the power transmission of a vehicle). An asynchronous motor 14 and a rectifier 9 are fed from the stator winding of the synchronous generator 2. The additional electric machine unit 8 in this case works as a shaft generator.

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. An asynchronous motor 14 with a phase rotor is connected to the winding of the synchronous generator 2, is controlled by triacs 18 and operates in a pulse-inertial mode. Since in this mode the induction motor 14 operates with increased slip, in order to use the sliding energy from the contact rings of the rotor of the induction motor 14, a rectifier 15 is connected, from which the armature of the DC motor is powered and the slip energy is transmitted to the driving motor 1. In this case, the induction motor 14 and the DC drive motor 1 operates according to a valve stage circuit. The induction motor 14 rotates the armature of the DC generator 4, from which the battery 6, which is in charge mode, is supplied with charge current. Batteries 5 and 6 work for some time alternately and periodically in the discharge and charge mode, and then, upon reaching the optimum discharge value, they are switched on in parallel and operate in the continuous discharge mode, charging only during electrical braking.

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. The time periods of separately operating batteries in the discharge and charge mode and the time of subsequent parallel operation of the batteries, as well as the charging current of the battery in the charging mode, are selected so that the maximum discharge time of the batteries is achieved.

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. In the electric braking mode when the vehicle is inertia, the contacts 12, 15, 10.7, 20 are closed, and the contacts 11, 8, 13, 22, 18 are open. The rotor of the synchronous generator 2 continues to rotate from the power transmission of the vehicle, which is driven by inertia, and the synchronous generator generates electricity, which through the rectifier 9 is used to charge the batteries. With electric braking, the kinetic energy of the inertia-moving vehicle is converted into electrical energy and stored in the battery. In this case, recharging the batteries is performed in accelerated mode at the maximum permissible charging current in accordance with the law of ampere hours.

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. In the battery charge mode from an external three-phase current source, contacts 10, 12, 13 are closed, and contacts 7, 8, 23, 11, 18 are open. An external source 21 of three-phase current is connected to the plug connector, and having installed a charging current using an adjustable rectifier 9, the batteries are charged in accordance with the selected mode.

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. Recently, much attention has been paid to electric vehicles, where batteries are used as an energy source. Unfortunately, the range of the electric vehicle is limited by the energy supply in the battery. It is desirable to be able to increase the range. This goal is achieved by this stand-alone installation when used as a propulsion system for a vehicle by increasing the discharge time of the batteries. The duration of the discharge of the batteries and, consequently, the range of the vehicle in an autonomous cascade is achieved by the choice of charge and recharge modes of the batteries, as well as by the accumulation of electric energy in the batteries, obtained by using the kinetic energy of the rotating masses of the additional electric machine unit and the kinetic energy of the vehicle with electric braking.

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
τ

где t₁ продолжительность включения, с;
t₂ продолжительность отключения, с.In order to use the kinetic energy of the rotating masses of the flywheel and the electric machines of the additional unit 14, the induction motor operates in a pulsed-inertial mode, which consists in the fact that the motor, after completion of the start-up process, is periodically briefly switched off and operates with a relative turn-on time
τ

where t _{1 the} duration of the inclusion, s;
t ₂ duration of shutdown, s.

При уменьшении τ 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.With decreasing τ, the slip S increases, since the rotor rotates by inertia for longer periods of time, which leads to a greater loss of speed. The time period is chosen so that the engine speed is reduced to the optimum value and the slip S is less than the critical slip S _k .

Включение и выключение асинхронного двигателя осуществляется при помощи симистора 18, управляемого от бесконтактного полупроводникового реле времени. Turning on and off the induction motor is carried out using a triac 18, controlled by a proximity semiconductor time switch.

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.In the period of time t _{2 the} induction motor is disconnected from the winding of the synchronous generator, does not consume electricity, the second unit runs in coast mode. The kinetic energy of the rotating masses of this unit with the help of a DC generator 4 is converted into electrical energy and stored in the battery.

Кинетическая энергия вращающихся масс за период времени равна
A_к= j

j

где А_к кинетическая энергия вращающихся масс электромашинного агрегата с маховиком 3;
ω₁- угловая скорость ротора в момент отключения;
ω₂- угловая скорость, до которой снижается скорость за время t₂;
j момент инерции вращающихся масс агрегата.The kinetic energy of the rotating masses over a period of time is equal to
A _k = j

j

where And _{to the} kinetic energy of the rotating masses of an electric machine unit with a flywheel 3;
ω ₁ - the angular velocity of the rotor at the time of shutdown;
ω ₂ is the angular velocity to which the velocity decreases over time t ₂ ;
j moment of inertia of the rotating masses of the unit.

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. Thus, the use of the kinetic energy of the rotating masses of electric machines and the flywheel of an additional charging electric machine unit will increase the efficiency of the installation and further increase the duration of its operation, for example, as an autonomous backup source of electricity to power AC consumers.

Claims (1)

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. AUTONOMOUS ELECTRIC MACHINE INSTALLATION, comprising a power electric machine unit equipped with a generator and a direct current motor for driving a working mechanism, an additional electric machine unit made up of flywheel and a direct current generator installed on a common shaft, two rechargeable batteries, the clips of each of which are connected through the corresponding contacts of the first group to the anchor circuit of a DC motor, a rectifier for charging batteries, the DC terminals of which are connected to battery clamps, to which, through the corresponding contacts of the second group, the anchor winding of the DC generator is connected, characterized in that, in order to increase the efficiency, the generator of the power machine assembly is synchronous, on the shaft of which there is a second flywheel and the armature of the DC motor on the shaft of the generator DC electric auxiliary machine unit installed induction motor with a phase rotor and a rectifier in the rotor circuit, the DC terminals of which are connected s with the anchor circuit of the DC motor, and the stator windings of the specified induction motor through additional triacs and alternating current leads of the rectifier for recharging the batteries are connected to the stator windings of the synchronous generator, the excitation winding of which and the excitation winding of the DC generator are connected through the first contacts groups to battery terminals.