комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии

Формула изобретения

1. Комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии, содержащая приводной двигатель, механически сопряженный через передаточный элемент с электрическим генератором, к выводам которого подключен выпрямитель, соединенный через систему накопления энергии с инвертором, стационарный потребитель переменного тока и систему управления, отличающаяся тем, что система накопления энергии выполнена в виде последовательно соединенных молекулярного накопителя электроэнергии и зарядно-разрядного устройства, при этом к выходу зарядного устройства подключен вспомогательный потребитель постоянного тока, через управляемый выключатель соединенный с управляемым размыкателем, который включен между выпрямителем, выполненным управляемым, и инвертором, выполненным обратимым.

2. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что зарядно-разрядное устройство состоит из обратного диода, параллельно которому подключены соединенные последовательно первый токоограничивающий резистор и тиристор, управляющий электрод которого через конденсатор и второй токоограничивающий резистор подключен к вспомогательному потребителю постоянного тока.

3. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что генератор выполнен в виде генератора переменного тока, к выводам которого подключен стационарный потребитель переменного тока.

4. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен импульсный потребитель постоянного тока с управляемым выключателем, подключенный к выводам управляемого выпрямителя.

5. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен импульсный потребитель переменного тока, подсоединенный к выходу обратимого инвертора.

6. Энергоустановка по любому из указанных пунктов, отличающаяся тем, что система управления соединена с приводным двигателем, генератором переменного тока, управляемым выпрямителем, обратимым инвертором, зарядно-разрядным устройством, управляемыми выключателями и управляемым размыкателем.

7. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что приводной двигатель механически сопряжен с генератором посредством передаточного элемента, выполненного в виде редуктора или мультипликатора.

8. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что молекулярный накопитель электроэнергии выполнен в виде блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторных элементов с двойным электрическим слоем.

9. Энергоустановка по п. 1 или 8, отличающаяся тем, что зарядно-разрядное устройство выполнено в виде блока, входные клеммы которого подключены к молекулярному накопителю электроэнергии и к одному полюсу управляемого выпрямителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в комбинированных энергоустановках на основе конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Известна комбинированная энергоустановка, содержащая двигатель, соединенный с генератором электроэнергии, к выходу которого подключен выпрямитель, подключенный через аккумуляторную батарею к инвертору, к выходу которого подсоединен потребитель электроэнергии, и несколько систем контроля (см. патент США 5698905, кл. 290-32, oп. 1997). В известной энергоустановке потребитель переменного тока подключен к инвертору, а потребитель постоянного тока подключен к аккумуляторной батарее.

Недостатком известной комбинированной энергоустановки является ее недостаточная эффективность, обусловленная низкими удельными мощностными характеристиками аккумуляторной батареи и отсутствием возможности выборочного подключения к энергоустановке потребителей вырабатываемой электроэнергии.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является комбинированная энергоустановка с системой накопления электроэнергии, содержащая приводной двигатель, механически сопряженный через передаточный элемент с электрическим генератором, к выводам которого подключен выпрямитель, соединенный через систему накопления энергии с инвертором, стационарный потребитель переменного тока и систему управления (см. Иванов А.М., Поляшов Л.И., Иванов С. А. , "Гибридные энергетические установки для электробусов", "Машиностроение", 2000, 10, с.с. 18-21). В известной энергоустановке в качестве системы накопления энергии используется суперконденсатор, стационарный потребитель переменного тока подключен к выходу инвертора, и система управления соединена лишь с приводным двигателем.

Недостатком известной комбинированной энергоустановки является несовершенство системы накопления электроэнергии и системы управления, а также сложность подключения различных потребителей вырабатываемой электроэнергии, что приводит к непроизводительным потерям и снижает эффективность энергоустановки.

Задачей изобретения является повышение эффективности комбинированной энергоустановки при одновременном повышении ее эксплуатационной надежности.

Решение указанной задачи обеспечивается новой комбинированной энергоустановкой с молекулярным накопителем электроэнергии, содержащей приводной двигатель, механически сопряженный через передаточный элемент с электрическим генератором, к выводам которого подключен выпрямитель, соединенный через систему накопления энергии с инвертором, стационарный потребитель переменного тока и систему управления, при этом система накопления энергии выполнена в виде последовательно соединенных молекулярного накопителя электроэнергии и зарядно-разрядного устройства, к выходу которого подключен вспомогательный потребитель постоянного тока, через управляемый выключатель соединенный с управляемым размыкателем, который включен между выпрямителем, выполненным управляемым, и инвертором, выполненным обратимым; при этом предпочтительно: зарядно-разрядное устройство выполнять в виде обратного диода, параллельно которому подключены соединенные последовательно токоограничивающий резистор и тиристор, управляющий электрод которого через конденсатор и второй токоограничивающий резистор подключен к вспомогательному потребителю постоянного тока; генератор выполнять в виде генератора переменного тока, к выводам которого подключен стационарный потребитель переменного тока; энергоустановку дополнительно снабжать импульсным потребителем постоянного тока с управляющим выключателем, подключенным к выводам управляемого выпрямителя; энергоустановку дополнительно снабжать импульсным потребителем переменного тока, подключенным к выходу обратимого инвертора; систему управления выполнять соединенной с управляемым двигателем, генератором переменного тока, управляемым выпрямителем, обратимым инвертором, зарядно-разрядным устройством, управляемыми выключателями и управляемым размыкателем; приводной двигатель механически сопрягать с генератором посредством редуктора или мультипликатора; молекулярный накопитель электроэнергии выполнять в виде блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторных элементов с двойным электрическим слоем; зарядно-разрядное устройство выполнять в виде блока, выходные клеммы которого подключены к молекулярному накопителю электроэнергии и к одному из полюсов управляемого выпрямителя.

В заявленной комбинированной энергоустановке повышение эффективности достигается за счет выполнения системы накопления энергии в виде последовательно соединенных молекулярного накопителя электроэнергии и зарядно-разрядного устройства предпочтительно на полупроводниковых элементах и за счет введения управляемых выключателей и размыкателя, подключенных к системе управления. Молекулярный накопитель электроэнергии использует явление формирования барьерного электрического поля на межфазной поверхности электронного и ионного проводников и за счет развитых поверхностей в зоне перехода удается обеспечить весьма высокие значения удельной энергоемкости. При работе энергоустановки потребитель периодически подключается к молекулярному накопителю и за счет его высокой удельной мощности удается обеспечить крутой фронт нарастания тока и тем самым ускорить, например, разгон электродвигателя. В заявленной энергоустановке к выводам генератора переменного тока подключены стационарный потребитель переменного тока и управляемый выпрямитель, к выходу которого подсоединен стационарный потребитель постоянного тока с выключателем, что позволяет четко регулировать величину энергопотребления и повысить эффективность энергоустановки посредством снижения непроизводительных потерь. Зарядно-разрядное устройство, соединенное с системой управления, дополнительно регулирует процесс заряда и разряда молекулярного накопителя электроэнергии и одновременно создает возможность подключения к энергоустановке вспомогательного потребителя постоянного тока. В заявленной энергоустановке используется разветвленная система управления на микропроцессорах, что позволяет снизить непроизводительные расходы вырабатываемой электроэнергии и повысить эффективность комбинированной энергоустановки.

На чертеже приведена блок-схема заявленной комбинированной энергоустановки с молекулярным накопителем электроэнергии.

Энергоустановка содержит: приводной двигатель 1, механически сопряженный через передаточный элемент 2 с генератором переменного тока 3, к выводам которого подключены постоянный потребитель переменного тока 4 и управляемый выпрямитель 5, который через управляемый размыкатель 6 соединен с обратимым инвертором 7, к выходу которого подключен импульсный или повторно-кратковременного действия потребитель переменного тока 8, при этом к выходу управляемого выпрямителя дополнительно подключены импульсный потребитель постоянного тока 9 с управляемым выключателем 10 и соединенные последовательно молекулярный накопитель электроэнергии 11 и зарядно-разрядное устройство 12, в состав которого входят обратный диод -13, параллельно которому подключены соединенные последовательно тиристор 14 и токоограничивающий резистор 15, при этом управляющий электрод тиристора через второй токоограничивающий резистор 16 и конденсатор 17 подключен к вспомогательному потребителю постоянного тока 18, который через управляемый выключатель 19 соединен с управляемым размыкателем, и систему управления 20, которая соединена с приводным двигателем 1, генератором переменного тока 3, управляемым выпрямителем 5, управляемыми выключателями 10 и 19, управляемым размыкателем 6, зарядно-разрядным устройством 12 и обратимым инвертором 7.

В качестве приводного двигателя 1 могут быть использованы, например, карбюраторный, дизельный, пневмогидравлический, газотурбинный ветродвигатель. Передаточный элемент 2, через который приводной двигатель 1 сопряжен с электрическим генератором 3, предпочтительно выполнять в виде мультипликатора или редуктора. Электрический генератор выполняется в виде генератора переменного тока 3, к выводам которого подключают постоянный потребитель переменного тока 4 и управляемый выпрямитель 5, который предпочтительно выполнять в виде блока. Молекулярный накопитель электроэнергии (см. Иванов А. М. и Герасимов А.Ф., "Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя", "Электричество", 1991, 8, с.с. 16-19) 11 выполняется в виде последовательно соединенных конденсаторных элементов с двойным электрическим слоем, которые размещаются в корпусе с клеммами, одна из которых присоединена к полюсу управляемого выпрямителя 5, а другая - к зарядно-разрядному устройству 12. Предпочтительно зарядно-разрядное устройство 12 выполнять на основе тиристора 14 в виде блока, одна входная клемма которого подключается к молекулярному накопителю электроэнергии 11, а другая - к полюсу управляемого выпрямителя 5. Инвертор 7 выполняется обратимым, что позволяет использовать потребитель 8 для подзарядки молекулярного накопителя электроэнергии 11, с целью аккумулирования, например, энергии торможения тягового электродвигателя.

Работу заявленной комбинированной энергоустановки с молекулярным накопителем электроэнергии рассмотрим на примере использования ее в качестве источника электроэнергии в транспортном средстве, выполненном в виде гибридного электробуса.

После запуска приводного двигателя 1 и выведения его и генератора переменного тока 3 на номинальный режим при постоянной частоте вращения вала двигателя энергоустановка снабжает электрической энергией переменного тока постоянный потребитель 4 и энергией постоянного тока вспомогательный потребитель 18, который подключается при срабатывании управляемого выключателя 19. При этом замыкается контур, включающий положительный полюс управляемого выпрямителя 5, второй токоограничивающий резистор 16, конденсатор 17, управляющий электрод тиристора 14, первый токоограничивающий резистор 15 и отрицательный полюс управляемого выпрямителя 5. Кратковременного срабатывания управляемого выключателя 19 достаточно для заряда конденсатора 17 и открывания тиристора 14, через который начинается заряд молекулярного накопителя электроэнергии 11. По окончании процесса его заряда устройство готово к действию и при срабатывании управляемого выключателя 10 происходит разряд молекулярного накопителя электроэнергии 11 на потребитель постоянного тока 9. Падение напряжения на обратном диоде 13 является обратным для тиристора 14 и последний запирается. При размыкании управляемого выключателя 10 молекулярный накопитель электроэнергии 11 оказывается отключенным от управляемого выпрямителя 5 и потребителя постоянного тока 9, благодаря закрытому состоянию тиристора 14 и обратному включению диода 13. На молекулярном накопителе электроэнергии 11 фиксируется напряжение, имевшее место на зажимах управляемого выпрямителя 5 в момент уменьшения тока разряда накопителя до нулевой отметки. Под пониженным напряжением молекулярный накопитель электроэнергии 11 будет находиться до момента включения управляемого выключателя 19 при формировании очередного разрядного импульса.

Аналогично при срабатывании управляемого размыкателя 6 происходит разряд молекулярного накопителя электроэнергии 11 на импульсный потребитель переменного тока 8 через обратимый инвертор 7. При размыкании управляемого размыкателя 6 молекулярный накопитель электроэнергии 11 оказывается отключенным от управляемого выпрямителя 5 и потребителя 8, благодаря закрытому состоянию тиристора 14 и обратному включению диода 13.

В рассматриваемых режимах работы заявленной комбинированной энергоустановки молекулярный накопитель электроэнергии 11 в отличие от известных комбинированных энергоустановок постоянно не подключен к управляемому выпрямителю 5 и находится в частично разряженном состоянии, что позволяет повысить эксплуатационную надежность энергоустановки.

В сравнении с известными заявленная комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии позволяет повысить эффективность преобразования энергии более чем на 15% за счет более совершенной системы накопления электроэнергии, снижения непроизводительных расходов энергии и топлива. Установленная мощность приводного двигателя и генератора, работающих на постоянных оборотах, может быть снижена не менее чем на 30%.

Заявленная комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии может эффективно использоваться в автономных электростанциях, в частности, в энергоустановках с электростартерным запуском карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания, электромобилях и других видах электротранспорта, в электроприводах повторно-кратковременного действия, передвижных рентгеновских и импульсных установках.