RU2109389C1

RU2109389C1 - Electromechanical gear to generate electric power

Info

Publication number: RU2109389C1
Application number: RU94006927A
Authority: RU
Inventors: А.Я. Губарев; В.П. Литвинов; В.В. Локтев; Г.Л. Огнев; Д.А. Губарев
Original assignee: Губарев Анатолий Яковлевич
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: design and manufacture of gears and systems generating electric power. SUBSTANCE: electromechanical gear has D.C. generator 1 with rotation shaft 2, main D.C. motor 3, external source 4 of energy with switch 5, user's loads 6 and 7, additional D.C. motor 8, converter 9 and diode 10. Gear provides for increased efficiency thanks to insertion of additional motor, converter and diode which additionally store energy with reduction of load and return it into electric circuit with increase of load. EFFECT: increased efficiency of gear. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электричества, в частности к области электрических генераторов и двигателей особых типов, и может быть использовано при производстве и конструировании устройств и систем, генерирующих электрическую энергию. The invention relates to the field of electricity, in particular to the field of electric generators and engines of special types, and can be used in the manufacture and design of devices and systems that generate electrical energy.

Известна турбинная установка, содержащая турбину, вал вращения которой жестко соединен с валом вращения гидрогенератора, который вырабатывает электрическую энергию. Турбина вращается под напором воды, поступающей из верхнего резервуара, и попадает в нижний резервуар. A known turbine installation containing a turbine, the rotation shaft of which is rigidly connected to the rotation shaft of the hydrogenerator, which generates electrical energy. The turbine rotates under the pressure of water coming from the upper reservoir, and enters the lower reservoir.

Известна также насосная установка, содержащая двигатель, вал вращения которого жестко соединен с валом вращения насоса, перекачивающего воду из нижнего в верхний резервуары [1]. Данная насосная установка подключается, как правило, в ночное время, когда снижается потребление электрической энергии, вырабатываемой турбинной установкой. Это повышает КПД системы, производящей электрическую энергию, за длительные промежутки времени (сутки), поскольку эта энергия потребляется крайне неравномерно в течение суток. Also known is a pumping unit containing an engine, the shaft of rotation of which is rigidly connected to the shaft of rotation of the pump that pumps water from the lower to the upper reservoirs [1]. This pump unit is connected, as a rule, at night, when the consumption of electric energy generated by the turbine unit is reduced. This increases the efficiency of the system that produces electrical energy over long periods of time (day), since this energy is consumed extremely unevenly throughout the day.

Недостатком устройства, состоящего из турбинной и насосной установок, является невозможность повышения КПД за короткие промежутки времени, поскольку насосная установка обладает большой инерционностью (постоянной времени), что не позволяет использовать кратковременные превышения электрической энергии турбинной установки над потребляемой энергией. Кроме того, рассматриваемая система не может обеспечить повышение КПД в течение всего времени суток, т. е. работать постоянно в замкнутом цикле, когда вода из верхнего резервуара поступает в нижний, и турбинная установка выдает электрическую энергию, часть которой используется насосной установкой для поднятия воды снова в верхний резервуар. При этом, поскольку имеются потери и используется только часть производимой электрической энергии, то не вся вода может быть перекачена из нижнего в верхний резервуар, в который вода также поступает из дополнительных источников. The disadvantage of the device, consisting of turbine and pump units, is the impossibility of increasing the efficiency for short periods of time, since the pump unit has a large inertia (time constant), which does not allow the use of short-term excesses of the electric energy of the turbine unit over the energy consumed. In addition, the system under consideration cannot provide an increase in efficiency throughout the day, i.e., operate continuously in a closed cycle, when water from the upper tank enters the lower one, and the turbine unit generates electric energy, part of which is used by the pump unit to raise water back to the upper tank. At the same time, since there are losses and only part of the produced electric energy is used, not all water can be pumped from the lower to the upper reservoir, to which water also comes from additional sources.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее запитанный от внешнего источника электрической энергии двигатель, вал вращения которого жестко соединен с валом вращения генератора, работающего на нагрузку [2]. The closest in technical essence and the achieved result is a device containing a motor powered from an external source of electric energy, the shaft of rotation of which is rigidly connected to the shaft of rotation of the generator operating on load [2].

Недостатком известного устройства является низкий КПД, поскольку оно только преобразует электрическую энергию в механическую и затем снова в электрическую, а излишки этой энергии в дальнейшем не используются для повышения КПД. A disadvantage of the known device is its low efficiency, since it only converts electrical energy into mechanical energy and then again into electrical energy, and excesses of this energy are not further used to increase efficiency.

Вышеописанное устройство принимаем за прототип и одновременно оно может служить базовым объектом. The above device is taken as a prototype and at the same time it can serve as a base object.

Изобретение решает задачу повышения КПД генерации электрической энергии устройства в течение всего времени его работы, т.е. как за кратковременные, так и за длительные промежутки времени. The invention solves the problem of increasing the efficiency of generating electrical energy of the device throughout the entire time of its operation, i.e. both for short-term and for long periods of time.

Поставленная задача в электромеханическом устройстве для производства электрической энергии, содержащем генератор постоянного тока, вал вращения которого соединен с валом вращения основного двигателя постоянного тока, воздействующий на вал вращения внешний источник энергии с переключателем и нагрузки потребителей, достигается за счет того, что в устройство введены дополнительный двигатель постоянного тока, по крайней мере один конвертор и диод, включенный между первым выводом основного двигателя постоянного тока и одним из выводов первой нагрузки потребителя, при этом вал вращения дополнительного двигателя постоянного тока соединен с валом вращения генератора постоянного тока, первый вывод которого соединен с одной из входных клемм конвертора, выходные клеммы которого включены между первым выводом дополнительного двигателя постоянного тока, встречно его противоЭДС, и одним из выводов второй нагрузки потребителя, другой вывод которой соединен с другим выводом первой нагрузки потребителя и с другой входной клеммой конвертора, а вторые выводы основного и дополнительного двигателей постоянного тока и генератора постоянного тока соединены между собой, причем переключатель обеспечивает отключение внешнего источника энергии при условии
ω_ист< ω_ген , ,
где
ω_ист - угловая скорость вала вращения за счет внешнего источника энергии;
ω_ген - угловая скорость вала вращения за счет энергии генератора постоянного тока.The task in an electromechanical device for the production of electric energy containing a direct current generator, the rotation shaft of which is connected to the rotation shaft of the main DC motor, acting on the rotation shaft of an external energy source with a switch and consumer loads, is achieved due to the fact that additional devices are introduced into the device a DC motor, at least one converter and a diode connected between the first terminal of the main DC motor and one of the terminals the first consumer load, while the rotation shaft of the additional DC motor is connected to the rotation shaft of the DC generator, the first output of which is connected to one of the input terminals of the converter, the output terminals of which are connected between the first output of the additional DC motor, counter-emf, and one of the conclusions of the second consumer load, the other terminal of which is connected to another terminal of the first consumer load and to the other input terminal of the converter, and the second conclusions of the main and additional Yelnia DC motors and DC generators are interconnected, wherein the disabling switch provides an external power source provided
ω _source <ω _gene,,
Where
ω _East - the angular velocity of the rotation shaft due to an external energy source;
ω _gene is the angular velocity of the shaft of rotation due to the energy of the DC generator.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство в соответствии с формулой изобретения отличается наличием дополнительных элементов, таких как конвертор, дополнительный двигатель постоянного тока и диод, а также наличием дополнительных электрических связей этих элементов с другими элементами устройства, соединением вала вращения дополнительного двигателя постоянного тока с валом вращения генератора постоянного тока и др. Наличие данных отличий от прототипа показывает, что заявленное устройство соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device in accordance with the claims is characterized by the presence of additional elements, such as a converter, an additional DC motor and a diode, as well as the presence of additional electrical connections of these elements with other elements of the device, the connection of the rotation shaft of the additional DC motor with the shaft of rotation of the DC generator, etc. The presence of these differences from the prototype shows that the claimed device uet the criterion of "novelty."

Сравнение заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области электрических генераторов и двигателей, в том числе особых типов, и других областях техники не позволило выявить в них вышеуказанные отличительные признаки в качестве самостоятельных функциональных признаков, используемых в какой-либо другой совокупности признаков для решения вышеуказанной задачи. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень". Comparison of the claimed technical solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the field of electric generators and engines, including special types, and other areas of technology did not allow us to identify the above distinguishing features as independent functional features used in any or another set of features to solve the above problem. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 представлена структурная схема электромеханического устройства для производства электрической энергии; на фиг. 2 - одна из возможных конструкций переключателя, обеспечивающего коммутацию внешнего источника энергии. In FIG. 1 is a structural diagram of an electromechanical device for generating electrical energy; in FIG. 2 - one of the possible designs of the switch, providing switching of an external energy source.

Электромеханическое устройство содержит генератор постоянного тока 1 с валом вращения 2, основной двигатель постоянного тока 3, внешний источник энергии 4 с переключателем 5, нагрузки потребителей 6 и 7, дополнительный двигатель постоянного тока 8, конвертор 9 и диод 10. The electromechanical device comprises a direct current generator 1 with a rotation shaft 2, a main direct current motor 3, an external energy source 4 with a switch 5, consumer loads 6 and 7, an additional direct current motor 8, a converter 9 and a diode 10.

Внутри генератора 1, основного и дополнительного двигателей постоянного тока 3 и 8, обведенных на фиг. 1 пунктирами, показаны соответственно активные сопротивления их обмоток R_r, R_g1 и R_g2.Inside the generator 1, the primary and secondary DC motors 3 and 8, circled in FIG. 1 dashed lines respectively show the active resistances of their windings R _r , R _g1 and R _g2 .

Электромеханическое устройство работает следующим образом. Electromechanical device operates as follows.

Энергия внешнего источника 4, используемая в качестве механического вращающего момента, воздействует через переключатель 5 на вал вращения генератора постоянного тока 1. На выходных выводах генератора постоянного тока 1 наводится ЭДС, которая подключена к первой нагрузке и основному двигателю постоянного тока 3 и обеспечивает вращение его вала. Направление вращения вала основного двигателя постоянного тока 3 совпадает при этом с направлением вращения вала генератора постоянного тока 1. Кроме того, ЭДС генератора 1 подключена к дополнительному двигателю постоянного тока 8. При этом из цепи генератора 1 дополнительно постоянного тока 8 со второй нагрузкой для увеличения значения тока в этой ветви. Для этой цели используется конвертор 9, входные выводы которого включены в цепь генератора постоянного тока 1, а выходные выводы включены в ветвь дополнительного двигателя постоянного тока 8, таким образом, что направление ЭДС на выходных выводах конвертора 9 совпадает с направлением тока в этой ветви. Такое включение дополнительной ЭДС в ветви дополнительного двигателя 8 обеспечивает на нем увеличение суммарной ЭДС, а следовательно, и электромагнитного момента, имеющего то же направление вращения, что и электромагнитный момент на основном двигателе 3. Чтобы передаваемая конверторная часть электрической энергии в ветвь дополнительного двигателя 8 не рассеивалась в ветви основного двигателя 3, в последней установлен диод, препятствующий протеканию в нее тока из ветви дополнительного двигателя. При снижении величины нагрузки электромагнитный момент дополнительного двигателя 8 будет возрастать и накапливаться излишек энергии механической системой, которая затем будет расходоваться нагрузкой при ее увеличении. Использование же дополнительной энергии приводит к увеличению КПД электромеханического устройства. The energy of an external source 4, used as mechanical torque, acts through a switch 5 on the shaft of rotation of the DC generator 1. At the output terminals of the DC generator 1, an EMF is induced, which is connected to the first load and the main DC motor 3 and rotates its shaft . The direction of rotation of the shaft of the main DC motor 3 coincides with the direction of rotation of the shaft of the DC generator 1. In addition, the EMF of the generator 1 is connected to the additional DC motor 8. Moreover, from the circuit of the generator 1 additional DC 8 with a second load to increase the value current in this branch. For this purpose, a converter 9 is used, the input terminals of which are included in the circuit of the DC generator 1, and the output terminals are included in the branch of the additional DC motor 8, so that the direction of the EMF at the output terminals of the converter 9 coincides with the direction of the current in this branch. This inclusion of additional EMF in the branches of the additional engine 8 provides for an increase in the total EMF, and hence the electromagnetic moment, having the same direction of rotation as the electromagnetic moment on the main engine 3. So that the transferred converter part of the electric energy to the branch of the additional engine 8 does not dissipated in the branches of the main engine 3, in the latter there is a diode that prevents current from flowing into it from the branches of the additional engine. With a decrease in the load, the electromagnetic moment of the additional engine 8 will increase and the excess energy will accumulate in the mechanical system, which will then be consumed by the load when it increases. The use of additional energy leads to an increase in the efficiency of the electromechanical device.

Переключатель 5, один из вариантов которого представлен на фиг. 2, содержит вал вращения 2 с углублениями 11, цилиндрическую насадку 12, пружины 13 и стержни 14. Switch 5, one embodiment of which is shown in FIG. 2, comprises a rotation shaft 2 with recesses 11, a cylindrical nozzle 12, springs 13 and rods 14.

Переключатель 5 работает следующим образом. The switch 5 operates as follows.

Он выполнен в виде центробежного затвора с пружинами и состоит из вала вращения 2 генератора 1, на внешней грани которого по окружности расположено несколько углублений 11 сложной формы, одна из граней каждого из которых имеет плоскую форму и совмещена с продольной осью вращения 2 и с его соответствующим радиусом, а профиль другой грани имеет форму спирали, один из концов которой совмещен с окружностью вала вращения 2. На данном валу вращения 2 размещена цилиндрическая насадка 12, вращение которой обеспечивает внешний источник энергии 4. В цилиндрической насадке 12 со стороны ее внутренней грани выполнены отверстия, количество которых соответствует количеству углублений, размещенных на внешней грани вала 2. В каждое из отверстий вставлены пружины 13 с металлическими стержнями 14. Такая конструкция переключателя 5 обеспечивает свободное вращение цилиндрической насадки 12 относительно вала 2 в одну сторону (на фиг. 2 - против часовой стрелки) и невозможность ее вращения в противоположном направлении (на фиг. 2 - по часовой стрелке). Поэтому обеспечивается отключение внешнего источника 4 от генератора 1 при выполнении условия ω_ист< ω_ген , , где ω_исти ω_ген - угловые скорости валов вращения соответственно внешнего источника энергии 5 и генератора постоянного тока 1. Если при этом в каком-либо из устройств используется редуктор, то необходимо в указанном неравенстве учитывать его коэффициент передачи.It is made in the form of a centrifugal lock with springs and consists of a rotation shaft 2 of the generator 1, on the outer edge of which there are several recesses 11 of complex shape, one of the faces of each of which has a flat shape and is aligned with the longitudinal axis of rotation 2 and with its corresponding radius, and the profile of the other face has a spiral shape, one of the ends of which is aligned with the circumference of the rotation shaft 2. A cylindrical nozzle 12 is placed on this rotation shaft 2, the rotation of which provides an external energy source 4. The main nozzle 12 has holes made on the side of its inner face, the number of which corresponds to the number of recesses placed on the outer face of the shaft 2. Springs 13 with metal rods 14 are inserted into each of the holes. This design of the switch 5 allows the cylindrical nozzle 12 to freely rotate relative to the shaft 2 in one side (in Fig. 2 - counterclockwise) and the impossibility of its rotation in the opposite direction (in Fig. 2 - clockwise). Therefore, it is ensured that the external source 4 is disconnected from the generator 1 under the condition ω _ist <ω _gen , where ω _ist and ω _gen are the angular velocities of the rotation shafts of the external energy source 5 and DC generator 1, respectively. If in any of the devices If a gearbox is used, it is necessary to take into account its transmission coefficient in the indicated inequality.

При снижении потребления энергии внешней нагрузкой увеличиваются токи в ветвях основного и дополнительного двигателей 3 и 8, которые в свою очередь создают дополнительные моменты вала вращения 2 генератора 1, в результате чего скорость вращения его вала ω_ген увеличивается и он запасает энергию. Стационарный режим наступает при ограничении величины ЭДС на выходных выводах конвертора за счет нелинейности его вольтамперной характеристики. При превышении скорости вращения вала внешнего источника 4, т.е. при выполнении ω_ген> ω_ист , , последний отключается. Когда увеличивается потребление энергии нагрузкой, расходуется запасенная механической системой энергия, скорость вращения вала 2 генератора 1 уменьшается и подключается внешний источник энергии 4. За счет использования дополнительной запасенной энергии КПД генератора при изменении нагрузки увеличивается.With a decrease in energy consumption by an external load, the currents in the branches of the main and additional engines 3 and 8 increase, which in turn create additional moments of the rotation shaft 2 of the generator 1, as a result of which the rotation speed of its shaft ω _gene increases and it stores energy. The stationary mode occurs when the magnitude of the EMF is limited at the output terminals of the converter due to the nonlinearity of its current-voltage characteristics. If the rotation speed of the shaft of the external source 4 is exceeded, i.e. when performing ω _gene > ω _ist , the latter is turned off. When the energy consumption of the load increases, the energy stored by the mechanical system is consumed, the rotation speed of the shaft 2 of the generator 1 decreases and an external energy source 4 is connected. By using the additional stored energy, the generator efficiency increases when the load changes.

Электромеханическое устройство остается работоспособным и решает также задачу повышения КПД при соединении первых выводов (точки C и d) первой и второй нагрузок, как показано на фиг. 1 пунктиром. The electromechanical device remains operational and also solves the problem of increasing efficiency when connecting the first terminals (points C and d) of the first and second loads, as shown in FIG. 1 dotted line.

Практически электромеханическое устройство было реализовано на трех электродвигателях постоянного тока ЭД-01 (один из которых использовался в качестве генератора) со следующими основными параметрами в номинальном режиме: напряжение 48 В, мощность 530 Вт, потребляемый ток 17 А, частота вращения 1700 об/мин, вращающий момент 0,29 кГм и КПД 0,69. Как показали экспериментальные испытания, КПД электромеханического устройства, выполненного в соответствии с формулой изобретения, увеличивалось на 5 - 12% по сравнению с КПД при использовании данного электродвигателя непосредственно в качестве генератора. In practice, the electromechanical device was implemented on three ED-01 DC motors (one of which was used as a generator) with the following main parameters in the nominal mode: voltage 48 V, power 530 W, current consumption 17 A, rotation speed 1700 rpm, torque 0.29 kgm and efficiency 0.69. As shown by experimental tests, the efficiency of an electromechanical device made in accordance with the claims increased by 5-12% compared with the efficiency when using this electric motor directly as a generator.

Таким образом, введение в электромеханическое устройство для производства электрической энергии дополнительного двигателя, конвертора и диода, подключенных в соответствии с формулой изобретения, позволило значительно повысить его КПД. Thus, the introduction into the electromechanical device for the production of electrical energy of an additional motor, converter and diode connected in accordance with the claims, has significantly increased its efficiency.

Claims

An electromechanical device for producing electric energy, comprising a direct current generator, the rotation shaft of which is connected to the rotation shaft of the main DC motor, acting on the rotation shaft by an external energy source with a switch and consumer loads, characterized in that an additional DC motor is introduced into the device, at least one converter and a diode connected between the first terminal of the main DC motor and one of the terminals of the first consumer load, In this case, the rotation shaft of the auxiliary DC motor is connected to the rotation shaft of the DC generator, the first output of which is connected to one of the input terminals of the converter, the output terminals of which are connected between the first output of the additional DC motor opposite its counter-emf and one of the terminals of the second consumer load, the other the output of which is connected to another output of the first consumer load and to another input terminal of the converter, and the second outputs of the main and additional DC motors the current and the direct current generator are interconnected, and the switch is configured to provide shutdown of an external energy source provided that ω _ist <ω _gen , where ω _ist is the angular velocity of the rotation shaft due to the external energy source, ω _gen is the angular velocity of the rotation shaft energy bill of a direct current generator.