MD984Z - Sistem combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la electronică şi poate fi utilizată în energetică pentru pornirea maşinii Stirling şi a altor maşini cu ardere externă şi producerea energiei electrice.Sistemul combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice include un motor-generator trifazat cu magneţi permanenţi (2) cu trei înfăşurări (W1, W2, W3), arborele căruia este unit cu arborele maşinii Stirling (1), şi o punte de putere trifazată formată din trei ramuri, conectate în paralel, fiecare ramură fiind formată din două chei electronice de putere (Q1, Q6), (Q2, Q5) şi (Q3, Q4), conectate în serie, la nodurile de conexiune (A, B, C) ale cărora sunt conectate respectiv înfăşurările (W1, W2, W3) motorului-generator trifazat (2). Sistemul mai include un comparator (U1), intrarea neinversoare a căruia este conectată la nodul de conexiune al unui divizor rezistiv, format dintr-un rezistor constant (R1) şi un rezistor variabil (R2). Un capăt al divizorului rezistiv este conectat la un stabilizator de tensiune (Ustab), iar celălalt capăt - la un capăt al unui rezistor de măsurare (R0) şi la nodul de conexiune (E) a emitorilor cheilor electronice (Q4, Q5, Q6). Intrarea inversoare a comparatorului (U1) este conectată printr-un rezistor (R3) la celălalt capăt al rezistorului (R0), care concomitent este conectat la emitorii a două chei electronice de putere (Q7, Q8), colectorii cărora sunt conectaţi respectiv la un capăt al unei sarcini (6) şi la polul negativ al unei baterii de acumulator (8), totodată celălalt capăt al sarcinii (6) şi polul pozitiv al bateriei (8) sunt conectate la colectorii cheilor electronice (Q1, Q2, Q3). Sistemul de asemenea include un element logic ŞI (U2) cu două intrări şi o ieşire, o intrare a căruia este conectată la ieşirea comparatorului (U1), iar a doua - la un măsurător de temperatură (4), amplasat pe cilindrul fierbinte (3) al maşinii Stirling (1), totodată ieşirea elementului logic ŞI (U2) este conectată la intrarea unui element logic de tip invertor (U3) şi la intrarea unui dispozitiv de dirijare (5), la ieşirile căruia sunt conectate intrările cheilor electronice (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6), iar la ieşirea elementului logic (U3) este conectată intrarea cheii electronice (Q7). În paralel la bateria (8) este conectat un dispozitiv de deconectare (7) a bateriei (8), iar ieşirea lui este conectată la intrarea cheii electronice (Q8).

Description

Invenţia se referă la electronică şi poate fi utilizată în energetică pentru pornirea maşinii Stirling şi a altor maşini cu ardere externă şi producerea energiei electrice.

Este cunoscut sistemul de alimentare electrică a unui motor trifazat cu magneţi permanenţi, care include un invertor, conectat cu un capăt al fiecăreia din cele trei înfăşurări ale motorului trifazat, şi un decumutator, amplasat cel puţin pe două din înfăşurările indicate, între invertor şi capătul înfăşurării corespunzătoare, totodată celelalte capete ale înfăşurărilor sunt conectate împreună. Sistemul conţine de asemenea un organ de deconectare a neutralei, amplasat cel puţin la două faze între nodul de conexiune şi al doilea capăt al înfăşurării corespunzătoare [1].

Dezavantajele acestui sistem constau în aceea că folosirea principiului de pornire a maşinii Stirling poate duce la defectarea tranzistorilor de putere din puntea trifazată şi în fiabilitatea joasă a sistemului din cauza utilizării în el a unor elemente mecanice, cum ar fi decumutatoarele.

Cea mai apropiată soluţie este sistemul electric de pornire a motorului şi alimentare electrică a unui tanc, în care în calitate de motor-generator este folosit un motor cu diode, care este executat dintr-o maşină electrică cu inducţie, sincronizată şi trifazată, în care este amplasat senzorul poziţiei rotorului, de asemenea este folosit un redresor - invertor şi schema de dirijare a invertorului, totodată în sistem este introdus un releu de sine stătător al înfăşurării de excitare a motorului cu diode [2].

Dezavantajele acestui sistem constau în fiabilitatea joasă a lui şi preţul mare de producere.

Problema pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în mărirea fiabilităţii sistemului prin excluderea elementelor electromecanice, folosind unul şi acelaşi motor-generator, care trece de la pornirea maşinii Stirling la producerea energiei electrice.

Sistemul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include un motor-generator trifazat cu magneţi permanenţi cu trei înfăşurări, arborele căruia este unit cu arborele maşinii Stirling, şi o punte de putere trifazată formată din trei ramuri, conectate în paralel, fiecare ramură fiind formată din două chei electronice de putere, conectate în serie, la nodurile de conexiune ale cărora sunt conectate respectiv înfăşurările motorului-generator trifazat. Sistemul mai include un comparator, intrarea neinversoare a căruia este conectată la nodul de conexiune al unui divizor rezistiv, format dintr-un rezistor constant şi un rezistor variabil. Un capăt al divizorului rezistiv este conectat la un stabilizator de tensiune, iar celălalt capăt - la un capăt al unui rezistor de măsurare şi la nodul de conexiune a emitorilor cheilor electronice a patra, a cincea şi a şasea. Intrarea inversoare a comparatorului este conectată printr-un rezistor la celălalt capăt al rezistorului de măsurare, care concomitent este conectat la emitorii a două chei electronice de putere a şaptea şi a opta, colectorii cărora sunt conectaţi respectiv la un capăt al unei sarcini şi la polul negativ al unei baterii de acumulator, totodată celălalt capăt al sarcinii şi polul pozitiv al bateriei sunt conectate la colectorii cheilor electronice întâia, a doua şi a treia. Sistemul de asemenea include un element logic ŞI cu două intrări şi o ieşire, o intrare a căruia este conectată la ieşirea comparatorului, iar a doua - la un măsurător de temperatură, amplasat pe cilindrul fierbinte al maşinii Stirling, totodată ieşirea elementului logic ŞI este conectată la intrarea unui element logic de tip invertor şi la intrarea unui dispozitiv de dirijare, la ieşirile căruia sunt conectate intrările cheilor electronice întâia, a doua, a treia, a patra, a cincea şi a şasea, iar la ieşirea elementului logic de tip invertor este conectată intrarea cheii electronice a şaptea. În paralel la baterie este conectat un dispozitiv de deconectare a bateriei, iar ieşirea lui este conectată la intrarea cheii electronice a opta.

Invenţia se explică prin desenele din fig.1-3, care reprezintă:

- fig. 1, schema sistemului combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice;

- fig. 2, schema sistemului combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice cu indicarea căii de trecere a curentului pentru una din fazele de pornire a maşinii Stirling;

- fig. 3, schema sistemului combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice cu indicarea curentului redresat, curentului sarcinii şi curentului de încărcare al acumulatorului.

Sistemul combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice include un motor-generator trifazat cu magneţi permanenţi 2 cu trei înfăşurări W1, W2, W3, arborele căruia este unit cu arborele maşinii Stirling 1, şi o punte de putere trifazată formată din trei ramuri, conectate în paralel, fiecare ramură fiind formată din două chei electronice de putere Q1, Q6, Q2, Q5 şi Q3, Q4, conectate în serie, la nodurile de conexiune A, B, C ale cărora sunt conectate respectiv înfăşurările W1, W2, W3 ale motorului-generator trifazat 2. Sistemul mai include un comparator U1, intrarea neinversoare a căruia este conectată la nodul de conexiune al unui divizor rezistiv, format dintr-un rezistor constant R1 şi un rezistor variabil R2. Un capăt al divizorului rezistiv este conectat la un stabilizator de tensiune Ustab, iar celălalt capăt - la un capăt al unui rezistor de măsurare R0 şi la nodul de conexiune E a emitorilor cheilor electronice Q4, Q5, Q6. Intrarea inversoare a comparatorului U1 este conectată printr-un rezistor R3 la celălalt capăt al rezistorului R0, care concomitent este conectat la emitorii a două chei electronice de putere Q7, Q8, colectorii cărora sunt conectaţi respectiv la un capăt al unei sarcini 6 şi la polul negativ al unei baterii de acumulator 8, totodată celălalt capăt al sarcinii 6 şi polul pozitiv al bateriei 8 sunt conectate la colectorii cheilor electronice Q1, Q2, Q3. Sistemul de asemenea include un element logic ŞI U2 cu două intrări şi o ieşire, o intrare a căruia este conectată la ieşirea comparatorului U1, iar a doua - la un măsurător de temperatură 4, amplasat pe cilindrul fierbinte 3 al maşinii Stirling 1, totodată ieşirea elementului logic ŞI U2 este conectată la intrarea unui element logic de tip invertor U3 şi la intrarea unui dispozitiv de dirijare 5, la ieşirile căruia sunt conectate intrările cheilor electronice Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, iar la ieşirea elementului logic U3 este conectată intrarea cheii electronice Q7. În paralel la bateria 8 este conectat un dispozitiv de deconectare 7 a bateriei 8, iar ieşirea lui este conectată la intrarea cheii electronice Q8.

Sistemul combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice funcţionează în modul următor.

Iniţial se examinează cazul când cilindrul fierbinte 3 al maşinii Stirling 1 se încălzeşte treptat sub influenţa energiei termice externe. Atâta timp cât temperatura cilindrului fierbinte 3, măsurată de măsurătorul de temperatură 4, este mai mică de o valoare oarecare considerată ca temperatură iniţială, la ieşirea măsurată de măsurătorul de temperatură 4 se păstrează semnalul logic de nivel jos, care se aplică la una din intrările elementului logic U2. Rezistorul variabil R2 şi rezistorul constant R1 sunt unite consecutiv. Unul din capetele rezistorului variabil R2 este conectat la nodul de conexiune E, iar altul - la un capăt al rezistorului constant R1, alt capăt al căruia este conectat la stabilizatorul de tensiune Ustab. Punctul comun al rezistoarelor R2 şi R1 este conectat cu intrarea neinversoare a comparatorului U1, iar intrarea inversoare a comparatorului U1 este conectată printr-un rezistor R3 la celălalt capăt al rezistorului R0 şi nodul de conexiune F, totodată ieşirea comparatorului U1 este conectată la cealaltă intrare a elementului logic U2. În absenţa curentului de orice sens în rezistorul de măsurare R0, cu ajutorul rezistorului variabil R2, la intrarea neinversoare a comparatorului U1 se instalează un nivel de tensiune mai mare decât la nodul de conexiune F , ceea ce duce la apariţia unui semnal logic cu nivel înalt la ieşirea comparatorului U1. În cazul când temperatura cilindrului fierbinte 3 depăşeşte o valoare oarecare, la ieşirea măsurătorului de temperatură 4 are loc schimbarea nivelului logic de la nivel jos la nivel înalt, ceea ce provoacă un nivel înalt la ieşirea elementului logic U2, care este aplicat concomitent la intrarea elementului logic de tip invertor U3 şi intrarea dispozitivului de comandă 5. Totodată la ieşirea elementului logic de tip invertor U3 se formează semnalul logic de nivel jos, care se aplică la intrarea cheii electronice de putere Q7 şi blochează în aşa mod trecerea curentului prin sarcina 6. Semnalul logic de nivel înalt, aplicat la intrarea dispozitivului de comandă 5, activează semnalele de dirijare de la ieşirea lui, care sunt aplicate la intrările cheilor electronice de putere Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6. În aşa mod are loc procesul de pornire a motorului-generator 2 şi, corespunzător, a maşinii Stirling 1. În fig. 2 este arătată calea trecerii curentului de pornire Ipornire prin nodurile de conexiune A şi B şi înfăşurările W1 şi W2 ale motorului-generator 2 pentru una din faze. Aceleaşi direcţii sunt pentru curenţii, ce trec prin nodul de conexiune C şi înfăşurarea W3 pentru alte două faze. După cum se vede din fig. 2, la pornirea motorului-generator 2 starea cheii de putere Q8 nu joacă niciun rol, deoarece curentul trece prin dioda inversă din componenţa acestei chei. Curentul de pornire Ipornire, trecând prin rezistenţa de măsurare R0, de la nodul de conexiune E spre nodul de conexiune F, provoacă o creştere şi mai mare a potenţialului din nodul de conexiune E, ceea ce, la rândul său, susţine cu siguranţă nivelul înalt al semnalului logic de la ieşirea comparatorului U1. Acest nivel se va schimba numai în cazul când se va schimba sensul curentului prin rezistorul R0, iar valoarea acestui curent va fi atât de mare, încât să creeze pe rezistorul R0 o aşa cădere, care va compensa valoarea tensiunii pozitive, instalate iniţial la intrarea neinversoare a comparatorului U1 cu ajutorul rezistorului R2 .

Schimbarea sensului curentului prin rezistorul R0 va avea loc atunci, când sub influenţa căldurii externe maşina Stirling va genera putere mecanică de rotire, care la rândul său, va fi aplicată motorului-generator 2, ceea ce va provoca curent indus în înfăşurările W1, W2 şi W3, care fiind redresat de diodele inverse din componenţa cheilor de putere Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, va crea curentul redresat Ired, sensul căruia este arătat în fig.3. După cum vedem, sensul curentului redresat Ired (fig.3) şi sensul curentului de pornire Ipornire (fig. 2), sunt opuse. În cazul când valoarea curentului redresat Ired va fi mai mare decât valoarea curentului de pornire Ipornire, sensul curentului din rezistenţa de măsurare R0 se va schimba în opus.

În aşa fel, finalizarea procesului de pornire a maşinii Stirling 1 duce la schimbarea nivelului semnalului logic de la ieşirea comparatorului U1 de la nivelul înalt la cel de jos, iar aceasta, la rândul său, duce la apariţia semnalului de nivel înalt la ieşirea elementului logic de tip invertor U3, ceea ce provoacă trecerea în stare deschisă a cheii de putere Q7, care conectează sarcina 6.

De asemenea, în fig. 3 sunt indicaţi şi curenţii sarcinii Isarcină şi de încărcare Iacc a bateriei 8. Curentul de încărcare Iacc poate trece numai în cazul, când cheia de putere Q8 este în stare deschisă. Dispozitivul de deconectare 7 a bateriei 8 este conectat în paralel cu bateria 8, iar ieşirea lui este conectată la intrarea cheii electronice Q8.

Dispozitivul de deconectare 7 a bateriei 8 analizează valoarea tensiunii de pe baterie şi în cazul, când valoarea tensiunii este mai mică decât tensiunea maximă de încărcare a bateriei, formează la ieşire un semnal logic de nivel jos, blocând, în aşa mod, trecerea curentului Iacc prin cheia de putere Q8.

În baza cercetărilor a fost elaborată o construcţie a acestui sistem. S-au făcut teste de laborator, în urma cărora a fost apreciat lucrul sistemului combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice şi de funcţionare a algoritmului utilizat.

1. RU 2504066 C2 2014.01.10

2. RU 2103541 C1 1998.01.27

Claims (1)

1. Sistem combinat de pornire a maşinii Stirling şi de producere a energiei electrice, care include un motor-generator trifazat cu magneţi permanenţi (2) cu trei înfăşurări (W1, W2, W3), arborele căruia este unit cu arborele maşinii Stirling (1); o punte de putere trifazată formată din trei ramuri, conectate în paralel, fiecare ramură fiind formată din două chei electronice de putere (Q1, Q6), (Q2, Q5) şi (Q3, Q4), conectate în serie, la nodurile de conexiune (A, B, C) ale cărora sunt conectate respectiv înfăşurările (W1, W2, W3) motorului-generator trifazat (2); un comparator (U1), intrarea neinversoare a căruia este conectată la nodul de conexiune al unui divizor rezistiv, format dintr-un rezistor constant (R1) şi un rezistor variabil (R2), un capăt al căruia este conectat la un stabilizator de tensiune (Ustab), iar celălalt capăt - la un capăt al unui rezistor de măsurare (R0) şi la nodul de conexiune (E) a emitorilor cheilor electronice (Q4, Q5, Q6), totodată intrarea inversoare a comparatorului (U1) este conectată printr-un rezistor (R3) la celălalt capăt al rezistorului (R0), care concomitent este conectat la emitorii a două chei electronice de putere (Q7, Q8), colectorii cărora sunt conectaţi respectiv la un capăt al unei sarcini (6) şi la polul negativ al unei baterii de acumulator (8), totodată celălalt capăt al sarcinii (6) şi polul pozitiv al bateriei (8) sunt conectate la colectorii cheilor electronice (Q1, Q2, Q3); un element logic ŞI (U2) cu două intrări şi o ieşire, o intrare a căruia este conectată la ieşirea comparatorului (U1), iar a doua - la un măsurător de temperatură (4), amplasat pe cilindrul fierbinte (3) al maşinii Stirling (1), totodată ieşirea elementului logic ŞI (U2) este conectată la intrarea unui element logic de tip invertor (U3) şi la intrarea unui dispozitiv de dirijare (5), la ieşirile căruia sunt conectate intrările cheilor electronice (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6), iar la ieşirea elementului logic (U3) este conectată intrarea cheii electronice (Q7); un dispozitiv de deconectare (7) a bateriei (8), conectat în paralel la bateria (8), iar ieşirea lui este conectată la intrarea cheii electronice (Q8).