RU2278463C1 - Electro-movement system - Google Patents

Abstract

FIELD: engineering of systems for supplying electricity to electric engines of drives of wheels, propeller screws and other executive mechanisms of vehicles, and also their onboard consumers.

SUBSTANCE: generator with rectifier and inverter with control system at output, powering driving electric motor, is provided with adjustable direct current excitation system and additional generators with separate rotors on common shaft and separate stators with windings, at outputs of which rectifiers are mounted for powering onboard consumers.

EFFECT: decreased electric energy losses on transformation of powering voltage, decreased noises, vibrations, increased mass-dimensional characteristics of electric machines, decreased limits on speed of rotation of generators in electric movement system.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электроснабжения электродвигателей привода колес, гребных винтов и других исполнительных механизмов передвижных и транспортных средств, а также их бортовых потребителей.The invention relates to electrical engineering, in particular to power supply systems for electric motors of wheel drives, propellers and other actuating mechanisms of mobile and vehicles, as well as their on-board consumers.

Известны системы электродвижения кораблей, состоящие из электродвигателя постоянного тока или переменного тока (асинхронные и синхронные), привода гребного винта и источника питания - турбогенератора, или дизель-генератора (Богомолов B.C. Гребные электрические установки: теория и эксплуатация. Калининград, 1988).Known electric propulsion systems of ships, consisting of a direct current or alternating current electric motor (asynchronous and synchronous), a propeller drive and a power source - a turbogenerator, or diesel generator (B. Bogomolov. Rowing electrical installations: theory and operation. Kaliningrad, 1988).

Двигатели и генераторы постоянного тока имеют невысокий КПД и низкую надежность из-за наличия щеточно-коллекторного узла, требуют больших затрат на обслуживание и ремонт и ограничены по мощности и скорости вращения ротора. Асинхронные двигатели имеют низкие значения коэффициента мощности и КПД и сложны в управлении. Синхронные двигатели могут иметь высокий коэффициент мощности за счет наличия системы возбуждения, но для ее питания требуется дополнительный источник постоянного тока.Motors and DC generators have low efficiency and low reliability due to the presence of a brush-collector assembly, require large maintenance and repair costs, and are limited in power and rotor speed. Induction motors have low power factor and efficiency and are difficult to control. Synchronous motors can have a high power factor due to the presence of an excitation system, but its power supply requires an additional DC source.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система электродвижения, состоящая из вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов на роторе и системы питания и управления, содержащей первичный источник питания, преобразователь постоянного напряжения, сглаживающий дроссель, автономный инвертор тока, систему управления с датчиками положения ротора и частоты вращения. В качестве первичного источника питания используются синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов на роторе и с выпрямителями, приводимые во вращение турбинами или дизелями, и аккумуляторные батареи, (Кучинский В.Г., Прасолин А.П., Шишкин Д.Ю. Вопросы проектирования подводных лодок. Электроэнергетические системы. Выпуск 12. ФГУП "ЦКБ МТ "Рубин", 2000, с.44-53). Недостатком такой системы электродвижения является двойное преобразование электроэнергии, получаемой от первичного источника питания, вначале из постоянного напряжения в постоянное регулируемое по величине, а затем преобразование постоянного напряжения посредством инвертора в переменное для питания электродвигателя. Создается также дополнительный шум и вибрации от непрерывно работающего преобразователя постоянного напряжения, что крайне нежелательно для средств передвижения, к которым предъявляются требования акустической скрытности. Использование постоянных магнитов на роторе приводного электродвигателя и генератора для возбуждения магнитного поля приводит к значительному удорожанию их производства и ремонта, к снижению прочности ротора и, как следствие, к ограничению скорости вращения ротора и полезной мощности на его валу.Closest to the technical nature of the claimed one is an electric movement system consisting of a valve motor with excitation from permanent magnets on the rotor and a power and control system containing a primary power source, a DC voltage converter, a smoothing inductor, an autonomous current inverter, a control system with rotor position sensors and speed. As the primary power source, synchronous generators with excitation from permanent magnets on the rotor and with rectifiers, driven by turbines or diesels, and batteries, are used (Kuchinsky V.G., Prasolin A.P., Shishkin D.Yu. Design issues submarines. Electric power systems. Issue 12. FSUE "TsKB MT" Rubin ", 2000, pp. 44-53). The disadvantage of such an electric propulsion system is the double conversion of electricity received from the primary power source, first from direct voltage to adjustable constant and then converting the direct voltage through an inverter into an alternating current for powering the electric motor. Additional noise and vibrations are generated from a continuously working DC / DC converter, which is extremely undesirable for vehicles that require acoustic stealth requirements. Use of permanent magnets on the rotor drive electric motor and generator to excite a magnetic field leads to a significant increase in their cost maintenance and repair, to reduce the strength of the rotor and, as a consequence, to limit the speed of rotation of the rotor and the useful power on its shaft.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение потерь электроэнергии на преобразование питающего напряжения, а следовательно, упрощение системы охлаждения, устранение дополнительных шумов и вибраций, повышение массогабаритных показателей электрических машин, снижение ограничений по скорости вращения генераторов в системе электродвижения.The objective of the present invention is to reduce the loss of electricity for the conversion of the supply voltage, and therefore, simplifying the cooling system, eliminating additional noise and vibration, increasing the overall dimensions of electric machines, reducing the speed limits of the generators in the electric movement system.

Поставленная задача решается тем, что в известной системе электродвижения, состоящей из приводного электродвигателя и системы питания и управления, содержащей генератор переменного тока с выпрямителем и инвертор с системой управления, генератор снабжен регулируемой системой возбуждения постоянного тока и дополнительными генераторами с отдельными роторами на общем валу и отдельными статорами с обмотками, на выходе которых установлены выпрямители для питания бортовых потребителей.The problem is solved in that in the known electric motor system consisting of a drive electric motor and a power and control system comprising an alternating current generator with a rectifier and an inverter with a control system, the generator is equipped with an adjustable direct current excitation system and additional generators with separate rotors on a common shaft and separate stators with windings, at the output of which rectifiers are installed to supply on-board consumers.

В предлагаемом варианте исполнения системы электродвижения дополнительные генераторы снабжены регулируемыми системами возбуждения постоянного тока.In the proposed embodiment of the electric propulsion system, additional generators are equipped with adjustable direct current excitation systems.

Положительный эффект этой системы электродвижения состоит в том, что снабжение генератора регулируемой системой возбуждения постоянного тока позволяет регулировать по величине напряжение генератора на выходе выпрямителя путем изменения тока возбуждения полупроводниковым регулятором, мощность которого составляет примерно 2% от мощности генератора. Таким образом из системы электродвижения исключен преобразователь постоянного напряжения мощностью, равной мощности генератора, что примерно вдвое снизило затраты на преобразование напряжения в предлагаемой системе и значительно уменьшило шумы и вибрации. Применение вместо постоянных магнитов регулируемой системы возбуждения постоянного тока с обычными обмотками позволяет разместить ее вместе с обмоткой якоря на статоре, а безобмоточный ротор позволяет значительно повысить скорость вращения и увеличить полезную мощность генератора. Затраты на изготовление и ремонт генератора с обычными обмотками меньше, чем у генератора с постоянными магнитами.The positive effect of this electromotive system is that supplying the generator with an adjustable direct current excitation system allows you to adjust the voltage of the generator at the output of the rectifier by changing the excitation current with a semiconductor controller, the power of which is about 2% of the generator power. Thus, a DC-voltage converter with a power equal to the power of the generator is excluded from the electric motion system, which approximately halved the cost of converting the voltage in the proposed system and significantly reduced noise and vibration. Using instead of permanent magnets an adjustable direct current excitation system with conventional windings, it can be placed together with the armature winding on the stator, and a windingless rotor can significantly increase rotation speed and increase the useful power of the generator. The cost of manufacturing and repairing a generator with conventional windings is less than that of a generator with permanent magnets.

На фиг.1 изображена схема предложенной системы электродвижения плавающего средства.Figure 1 shows a diagram of the proposed electric propulsion system of a floating vehicle.

На фиг.2 изображен вариант схемы предложенной системы электродвижения.Figure 2 shows a variant of the scheme of the proposed electric propulsion system.

На схемах обозначено: 1 - генератор трехфазного напряжения; 2 - выпрямитель; 3 - инвертор напряжения; 4 - электродвигатель привода гребного винта плавающего средства; 5 - регулятор тока возбуждения генератора; 6 - система управления; 7, 8 - дополнительные генераторы; 9, 10 - выпрямители; 11, 12 - регуляторы токов возбуждения дополнительных генераторов.The diagrams indicate: 1 - three-phase voltage generator; 2 - rectifier; 3 - voltage inverter; 4 - electric motor for propeller drive of a floating vehicle; 5 - generator current regulator; 6 - control system; 7, 8 - additional generators; 9, 10 - rectifiers; 11, 12 - regulators of excitation currents of additional generators.

В качестве первичного источника питания системы используется трехфазный генератор 1 индукторного типа с обмотками якоря и возбуждения постоянного тока, расположенными на статоре. Генератор 1 приводится во вращение турбиной или дизелем в зависимости от типа корабля. Безобмоточный ротор генератора 1 выполнен из сплошной электротехнической стали заодно с валом, что обеспечивает требуемую механическую прочность при работе с паровыми или газовыми турбинами, вращающимися со скоростями 3000 об/мин и более для достижения больших мощностей. Переменное напряжение обмотки статора генератора 1 поступает на выпрямитель 2 и далее на инвертор напряжения 3, питающий индукторный двигатель 4 импульсами постоянного тока. Обмотка возбуждения генератора 1 питается постоянным током через статический регулятор 5, который изменяет магнитный поток генератора 1 и величину его выходного напряжения, поступающего на вход инвертора 3. Система управления 6 получает информацию от датчиков положения ротора и фазных токов двигателя 4 и по командам с пульта управления в соответствии с заданными алгоритмами работы вырабатывает сигналы управления инвертором 3 и регулятором 5 для изменения скорости и направления вращения ротора двигателя 4 и его мощности. На валу генератора 1 установлены роторы дополнительных однофазных генераторов 7 и 8 индукторного типа, на статорах которых также содержатся обмотки якоря переменного тока и возбуждения постоянного тока. При этом генераторы 7 и 8 через выпрямители 9 и 10 питают бортовые потребители различной мощности. При необходимости регулирования выходных параметров генераторов 7 и 8 их обмотки возбуждения подключаются к постоянному току через дополнительные полупроводниковые регуляторы 11 и 12, которые изменяют магнитный поток генераторов 7 и 8 и величину их выходного напряжения.A three-phase generator 1 of the inductor type with armature windings and DC excitation windings located on the stator is used as the primary power source of the system. Generator 1 is driven by a turbine or diesel engine, depending on the type of ship. The windingless rotor of the generator 1 is made of solid electrical steel at the same time with the shaft, which provides the required mechanical strength when working with steam or gas turbines rotating at speeds of 3000 rpm or more to achieve high power. The alternating voltage of the stator winding of the generator 1 is supplied to the rectifier 2 and then to the voltage inverter 3, which feeds the induction motor 4 with DC pulses. The excitation winding of the generator 1 is supplied with direct current through a static regulator 5, which changes the magnetic flux of the generator 1 and the magnitude of its output voltage supplied to the input of the inverter 3. The control system 6 receives information from the rotor position sensors and phase currents of the motor 4 and by commands from the control panel in accordance with the specified operation algorithms, it generates control signals for the inverter 3 and controller 5 to change the speed and direction of rotation of the rotor of the motor 4 and its power. The rotors of additional single-phase generators 7 and 8 of the inductor type are installed on the shaft of the generator 1, the stators of which also contain the windings of the AC armature and DC excitation. In this case, the generators 7 and 8 through the rectifiers 9 and 10 feed on-board consumers of various capacities. If necessary, control the output parameters of the generators 7 and 8, their field windings are connected to direct current through additional semiconductor controllers 11 and 12, which change the magnetic flux of the generators 7 and 8 and the magnitude of their output voltage.

Таким образом с помощью регуляторов тока возбуждения осуществляется независимое регулирование величины выходного напряжения каждого генератора, питающего своих потребителей, без использования дополнительных преобразователей напряжения, рассчитанных на полную мощность, что позволяет снизить затраты на создание системы электродвижения и значительно уменьшить шумы и вибрации. Использование электрических машин без обмоток и других активных элементов (постоянных магнитов) на роторе позволяет увеличить прочность ротора, скорость его вращения и мощность генератора.Thus, with the help of excitation current regulators, the output voltage of each generator feeding its consumers is independently regulated without the use of additional voltage converters designed for full power, which allows to reduce the cost of creating an electric motor system and significantly reduce noise and vibration. The use of electric machines without windings and other active elements (permanent magnets) on the rotor can increase the strength of the rotor, its rotation speed and generator power.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемая нами система электродвижения отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищена патентом Российской Федерации.Based on the foregoing and based on the results of our patent information search, we believe that our electric propulsion system meets the criteria of “Novelty”, “Inventive step”, “Industrial applicability” and can be protected by a patent of the Russian Federation.

Claims (2)

1. Система электродвижения, состоящая из приводного электродвигателя и системы питания и управления, содержащей генератор переменного тока с выпрямителем и инвертор с системой управления, отличающаяся тем, что генератор снабжен регулируемой системой возбуждения постоянного тока и дополнительными генераторами с отдельными роторами на общем валу и отдельными статорами с обмотками, на выходе которых установлены выпрямители для питания бортовых потребителей.1. The electric motor system, consisting of a drive motor and a power and control system, comprising an alternating current generator with a rectifier and an inverter with a control system, characterized in that the generator is equipped with an adjustable direct current excitation system and additional generators with separate rotors on a common shaft and separate stators with windings, at the output of which rectifiers are installed to power on-board consumers. 2. Система электродвижения по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные генераторы снабжены регулируемыми системами возбуждения постоянного тока.2. The electric motor system according to claim 1, characterized in that the additional generators are equipped with adjustable DC excitation systems.

Images