УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ АВТОНОМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СУДНА

Изобретение относится к области энергетики, в частности к системам электроснабжения автономных объектов, имеются в виду транспортные средства, в частности воздушные и плавучие транспортные средства.

Известна автономная электроэнергосистема переменного тока стабильной частоты, содержащая асинхронный генератор, связанный с валом приводного двигателя, синхронный компенсатор, выход которого подключен параллельно асинхронному генератору, регулятор напряжения, включенный на синхронный компенсатор, и устройство запуска синхронного компенсатора, механически связанное с ротором синхронного компенсатора, отличающаяся тем, что синхронный компенсатор снабжен дополнительным независимым устройством стабилизации частоты вращения, выходной вал которого состыкован с валом ротора синхронного компенсатора. Предусмотрен способ получения стабильной частоты переменного тока в автономной электроэнергосистеме с асинхронным генератором и синхронным компенсатором, при котором вращают ротор асинхронного генератора, синхронный компенсатор запускают, перевозбуждают и выводят на заданный режим по напряжению и частоте вращения, при этом при отклонении частоты переменного тока от заданного уровня изменяют частоту вращения ротора синхронного компенсатора в сторону уменьшения отклонения частоты переменного тока (RU 2073310 С1, 10.02.1997).

Известна электроэнергетическая установка, автономно обеспечивающая электроэнергией нагрузку, снабженная пусковым источником электроэнергии, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной с ротором, например, на постоянных магнитах, которая при пуске установки работает как двигатель, а в рабочем режиме как генератор, причем обмотки статора электрической машины через трехфазный мостовой выпрямитель соединены с шинами постоянного тока трехфазного мостового инвертора на полупроводниковых ключах, соединенных с системой управления, реализующей режимы «генерирование» и «пуск», а установка снабжена контакторами, в каждой фазе имеющими по одной входной и две выходные клеммы, причем входные клеммы соединены с силовыми выходами инвертора, а одна выходная клемма непосредственно или через блок фильтров соединена с нагрузкой, отличающаяся тем, что каждая из обмоток статора электрической машины снабжена отпайкой, которая соединена со второй выходной клеммой контактора, так что в режиме «пуск» инвертор воздействует на электрическую машину через отпайки, тогда как в режиме «генерирование» инвертор обеспечивает электроэнергией нагрузку, а сам через трехфазный выпрямитель питается от напряжения на обмотках статора электрической машины (RU 95919 U1, 10.07.2010).

Близким к представленному в данном описании устройству является известное устройство электропитания автономного летательного аппарата, содержащее, по меньшей мере, первый электрогенератор для получения электроэнергии с приводом от двигателя летательного аппарата, сеть распределения электроэнергии на борту летательного аппарата, соединенную с первым электрогенератором линией питания посредством линии электропитания для получения электрического напряжения от первого генератора, по меньшей мере, второй электрогенератор для генерирования электроэнергии с приводом от двигателя летательного аппарата и электрическую сеть двигателя летательного аппарата, отличную от бортовой сети летательного аппарата и предназначенную для питания электроэнергией электрического оборудования двигателя летательного аппарата и/или оснащения двигателя, при этом электрическая сеть двигателя содержит, по меньшей мере, одну шину распределения электрического напряжения постоянного тока для электрического оборудования и блок питания, первый вход которого соединен с бортовой сетью летательного аппарата для получения напряжения, обеспечиваемого сетью на борту летательного аппарата, второй вход соединен со вторым генератором для получения напряжения от второго генератора, преобразователь напряжения, соединенный со вторым входом, а также цепь коммутации для подачи на распределительную шину напряжения от первого входа или преобразователя в функции от амплитуды напряжения второго электрогенератора. Блок питания электрической сети двигателя содержит также преобразователь напряжения, соединенный с первым входом для преобразования напряжения бортовой сети летательного аппарата. Шина распределения напряжения электрической сети двигателя является распределительной шиной регулируемого напряжения постоянного тока. Устройство содержит множество модулей с инверторами, питаемыми от распределительной шины напряжения постоянного тока и подающими напряжение переменного тока на электрооборудование. Устройство содержит два вторых электрогенератора с приводом от двигателя, соединенных соответственно со вторым и третьим входами блока питания, и две распределительные шины, соединенные с первым и вторым выходами устройства питания, причем блок питания содержит также преобразователь напряжения, который соединен с третьим входом, при этом преобразователи напряжения, соединенные со вторым и третьим входами, соединены соответственно с первым и вторым выходами. Первый вход соединен с первым и вторым выходами блока питания, при этом коммутаторы подают на первую и вторую распределительные шины напряжения от преобразователей, соединенных со вторым и третьим входами, или напряжение от первого входа. Каждый второй генератор является генератором напряжения переменного тока на постоянных магнитах. Устройство предназначено для газотурбинного авиационного двигателя и в нем электрическое оборудование содержит электромеханические приводы электрических реверсоров тяги (RU 2432302 С2, 27.10.2011). Данное устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, отрицательно влияющую на надежность работы.

Из практики известна система электроснабжения самолета с напряжением 200 В и частотой сети 400 Гц, содержащая источники тока, центральные распределительные устройства со встроенными элементами защиты и коммутации, при этом система выполнена в соответствии с ГОСТ Р54073-2010. Недостатком этой системы является ее неудовлетворительная мощность, равная 120 кВт.

Из практики также известен аналог представленного в данном описании устройства - электромеханического привода постоянной частоты вращения, в частности интегральный привод авиационного генератора типа ГП, производства завода «Рубин», принцип действия которого основан на суммировании переменных частот вращения вала привода от авиационного двигателя и вала плунжерного гидравлического двигателя, причем суммирование частот вращения осуществлено через дифференциальный мультипликатор таким образом, чтобы частота вращения синхронного трехкаскадного генератора переменного тока оставалась всегда постоянной.

Наиболее близким аналогом к устройству, представленному в данном описании, является известное устройство электропитания постоянным током автономных транспортных средств - самолетов и вертолетов, причем в устройстве применяются известные средства для получения тока с номинальным напряжением 120 В и постоянной частотой 400 Гц, в частности известное устройство содержит синхронный трехкаскадный бесконтактный генератор с электромагнитным возбуждением, электронный блок управления, регулирования и защиты, осуществляющие регулирование параметров тока через канал возбуждения, гидравлический привод с постоянной частотой вращения его выходного вала (Синдеев И.М., Савелов А.А. Системы электроснабжения воздушных судов. - М.: Транспорт, 1990, с. 296). Данное устройство обеспечивает ограниченную максимальную мощность, не более 150 кВт, и неудовлетворительный коэффициент полезного действия, при этом надежность работы устройства зависит от работы и надежности средства охлаждения рабочей жидкости гидравлического привода, которым оснащено устройство. В устройстве для охлаждения рабочей жидкости гидропривода используют выносной теплообменник, что существенно усложняет конструкцию и снижает надежность устройства.

Таким образом, известные технические решения не в полной мере отвечают требованиям повышения надежности работы и упрощения конструкции, особенно это касается устройств, в которых используются гидросистемы, требующие применения охладителей для их охлаждения.

Техническим результатом представленного в данном описании изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение надежности его работы.

Технический результат получен устройством электропитания постоянным током автономного транспортного судна, характеризующимся тем, что оно содержит газотурбинный двигатель, который двумя валами отбора мощности соединен с электромеханической передачей, включающей дифференциальный мультипликатор, соединенный с ним электромагнитный тормоз-расцепитель, генератор, который электрически трехфазной системой проводов соединен с бесконтактным электродвигателем постоянного тока, вал которого соединен с водилом дифференциального мультипликатора, при этом дифференциальный мультипликатор соединен с генератором через электромагнитный тормоз-расцепитель, магнитоэлектрический генератор через трехфазную систему проводов соединен с входом управляемого выпрямительного устройства, которое соединено электрически с блоком коммутации и с бортовыми потребителями электроэнергии постоянного тока, причем блок коммутации соединен с блоком управления, который электрически соединен с электродвигателем постоянного тока.

Соединение генератора с выпрямительным устройством осуществлено через трехфазную линию проводов, при этом газотурбинный двигатель одним валом соединен с водилом дифференциального мультипликатора, а другим валом газотурбинный двигатель соединен с генератором, электрическая связь генератора с бесконтактным электродвигателем выполнена посредством трехфазной линии проводов, электрическая связь бесконтактного электродвигателя с блоком управления выполнена посредством электрических проводов, обеспечивающих обратную связь блока с электродвигателем и тормозом-расцепителем, блок электропроводами соединен с тормозом-расцепителем, электродвигатель валом соединен с дифференциальным мультипликатором через водило дифференциального мультипликатора.

Устройство имеет на его выходе провода постоянного тока, дифференциальный мультипликатор имеет солнечное колесо, с которым соединен один вал отбора мощности, выходным валом осуществлена связь дифференциального мультипликатора с тормозом-расцепителем, выходной вал которого соединен с магнитоэлектрическим генератором, блок электрическими проводами соединен с блоком управления, выпрямительное устройство соединено электрическими проводами с блоком коммутации, а электрическими проводами устройство соединено с блоком управления.

На фиг. 1 показано устройство для электропитания постоянным током автономного объекта. На фиг. 2 показана схема устройства тормоза-расцепителя.

Устройство содержит газотурбинный двигатель 1 с частотой вращения в пределах 12000-24000 об/мин, который двумя валами отбора мощности соединен с электромеханической передачей 2. Последняя содержит дифференциальный мультипликатор 3, соединенный с ним электромагнитный тормоз-расцепитель 4, генератор 5, который электрически трехфазной системой проводов соединен с бесконтактным электродвигателем 6 постоянного тока. Вал электродвигателя 6 постоянного тока соединен с водилом дифференциального мультипликатора 3. Принцип работы тормоза-расцепителя 4 основан на принципе работы электромагнитной муфты в совокупности с работой дискового тормоза (их сущность в данном описании не раскрывается). Электромеханическая передача 2 служит для преобразования переменной частоты вращения валов отбора мощности в постоянную частоту вращения выходного вала передачи 2. Дифференциальный мультипликатор 3 соединен с магнитоэлектрическим генератором 7 через электромагнитный тормоз-расцепитель 4. Электрически магнитоэлектрический генератор 7 через трехфазную систему проводов соединен с входом управляемого выпрямительного устройства 8. Последнее электрически соединено с блоком 9 коммутации и с бортовыми потребителями электроэнергии постоянного тока. С блоком 9 коммутации соединен блок 10 управления, осуществляющий управление устройством таким образом, чтобы напряжение на выходе управляемого выпрямителя оставалось равным 270 В. Блок 10 управления электрически соединен с электродвигателем 6 постоянного тока. Соединение генератора 7 с выпрямительным устройством 8 осуществлено через трехфазную линию 11 проводов. Двигатель 1 одним валом 12 соединен с водилом дифференциального мультипликатора 3, а другим валом 13 двигатель 1 соединен с генератором 5. Электрическая связь генератора 5 с бесконтактным электродвигателем 6 выполнена посредством трехфазной линии 14 проводов, а соединение бесконтактного электродвигателя 6 с блоком 10 управления выполнено посредством электрических проводов 15, обеспечивающих обратную связь блока 10 с электродвигателем 6 и тормозом-расцепителем 4. При этом блок 10 управления электропроводами 15 и электропроводами 16 соединен с тормозом-расцепителем 4. Электродвигатель 6 валом 17 соединен с дифференциальным мультипликатором 3 через водило 18 мультипликатора 3. Устройство имеет на его выходе провода 19 постоянного тока. Дифференциальный мультипликатор 3 имеет солнечное колесо 20, с которым соединен вал 12. Выходным валом 21 осуществлена связь мультипликатора 3 с тормозом-расцепителем 4, выходной вал 22 которого соединен с магнитоэлектрическим генератором 7. Блок 9 электрическими проводами 23 соединен с блоком 10. Выпрямительное устройство 8 соединено электрическими проводами 24 с блоком 9, а электрическими проводами 25 устройство 8 соединено с блоком 10. Тормоз-расцепитель состоит из двух последовательно соединенных муфт, обгонной муфты 26 и электромагнитного тормоза 27, выполняющего функции второй муфты.

Устройство работает следующим образом. При работе двигателя 1 вращение от его вала через вал 12 передается на электромеханическую передачу 2, а через вал 13 вращение от двигателя 1 передается на вал генератора 5. От генератора 5 осуществляется электропитание бесконтактного электродвигателя 6 постоянного тока. При вращении вала 17 электродвигателя 6 крутящий момент от этого вала передается на водило 18 дифференциального мультипликатора 3. В случае изменения частоты вращения вала двигателя 1 изменяется частота вращения солнечного колеса 20 дифференциального мультипликатора 3. Изменение частоты вращения вала двигателя 1 происходит постоянно вследствие смены режима его работы.

При этом бесконтактный электродвигатель 6 постоянного тока изменяет частоту вращения водила 18 мультипликатора таким образом, что добавляет обороты или уменьшает их на величину, обеспечивающую постоянную частоту вращения выходного вала 21 мультипликатора 3. Выходной вал 21 дифференциального мультипликатора 3 кинематически соединен с валом 22 магнитоэлектрического генератора 7 через электромагнитный тормоз-расцепитель 4 и вследствие этого осуществляется суммирование частоты вращения дифференциального мультипликатора 3 и частоты вращения электродвигателя 6 постоянного тока. При этом частота вращения ротора генератора 7 при всех режимах работы двигателя 1 будет постоянной, а электроэнергия, вырабатываемая генератором 7, через трехфазную систему проводов 11 будет направлена на вход управляемого выпрямительного устройства 8 и далее, через блок коммутации 9 - к потребителям электроэнергии автономного объекта. При изменении нагрузки на потребление постоянного тока - включении и выключении потребителей тока, сигналы рассогласования поступают с блока коммутации 9 в блок 10 управления, который осуществляет управление устройством таким образом, чтобы напряжение на выходе управляемого выпрямителя 8 оставалось постоянным и равным 270 В. В случае короткого замыкания в обмотке статора генератора 7 электромагнитный тормоз-расцепитель 4 отсоединяет его вал от выходного вала дифференциального мультипликатора 3 и останавливает ротор генератора 7. В указанном случае короткого замыкания в обмотке статора генератора 7 возрастает ток и, соответственно, момент сопротивления, который направлен встречно моменту от дифференциального мультипликатора. Под действием электромагнитного момента вал генератора 7 замедляется и обгонная муфта 26 (фиг. 2) отсоединяет вал 22 (фиг. 1) генератора 7 от вала 21 и, соответственно, от вала приводного газотурбинного двигателя 1. Одновременно электромагнитный тормоз 27 (фиг. 2) по сигналу от блока 10 управления включается и останавливает вращение ротора генератора 7, тем самым снимая с него возбуждение.

Блок 10 управления осуществляет управление устройством так, что напряжение на выходе выпрямителя 8 остается постоянным, при этом остановка вращения ротора генератора 7 по сигналам от блока 10 управления через обратную связь, поступающим по проводам 11 на тормоз-расцепитель 4 и по проводам 15 на электродвигатель 6, повышают надежность работы устройства.

Устройство, содержащее магнитоэлектрический генератор, электромеханический привод, соединенный с генератором, обеспечивающие постоянную частоту вращения вала генератора и его принудительную остановку путем передачи части мощности от приводного двигателя и преобразования его механической энергии в электрическую энергию постоянного тока, существенно упрощает конструкцию и также повышает надежность устройства.