RU2182383C1

RU2182383C1 - Combined power plant with molecular electric energy storage circuit

Info

Publication number: RU2182383C1
Application number: RU2001115327/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Булавкин; А.Ф. Герасимов; В.А. Джанибеков; ков Н.И. Коров; Н.И. Коровяков; А.Н. Никитин; В.А. Петухов; шов Л.И. Пол; Л.И. Поляшов
Original assignee: Булавкин Вячеслав Васильевич; Герасимов Аркадий Федорович; Джанибеков Владимир Александрович; Коровяков Николай Иванович; Никитин Альберт Николаевич; Петухов Владимир Алексеевич; Поляшов Леонид Иванович
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2002-05-10

Abstract

FIELD: electrical engineering, power plants based on capacitors with double electric layer. SUBSTANCE: in compliance with invention proposed combined power plant has driving engine 1 mechanically coupled via reduction gear or multiplexer 2 to A C generator 3 to which terminals stationary A C load 4 and controlled rectifier 5 linked through controlled release 6 with inverted converter 7 are connected. Pulse A C load 8 is connected to output of the latter. Pulse D C load 9 with controlled switch 10 and energy storage system connected in series and incorporating molecular electric energy storage circuit 11 and charging-discharging device 12 comprising back diode 13 in parallel to which thyristor 14 and first current limiting resistor 15 connected in series are linked. In this case controlling electrode of thyristor 14 is connected through capacitor 17 and second current limiting resistor 16 to auxiliary D C load 18. Ramified control system 20 contributes to increase of efficiency of power plant thanks to well-defined connection of various loads to it. EFFECT: increased efficiency of power plant. 8 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в комбинированных энергоустановках на основе конденсаторов с двойным электрическим слоем. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in combined power plants based on capacitors with a double electric layer.

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. A combined power installation is known, comprising a motor connected to an electric power generator, to the output of which a rectifier is connected, connected via an accumulator battery to an inverter, to the output of which a power consumer is connected, and several control systems (see US Pat. No. 5,698,905, CL 290-32, op . 1997). In a known power plant, an AC consumer is connected to an inverter, and a DC consumer is connected to a battery.

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. A disadvantage of the known combined power plant is its lack of efficiency, due to the low specific power characteristics of the battery and the lack of the ability to selectively connect the generated electricity consumers to the power plant.

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. Closest to the technical nature of the claimed one is a combined power plant with an electric power storage system containing a drive motor mechanically coupled through a transmission element with an electric generator, to the terminals of which a rectifier is connected, connected through an energy storage system to an inverter, a stationary AC consumer and a control system ( see Ivanov A.M., Polyashov L.I., Ivanov S. A., "Hybrid power plants for electric buses", "Mechanical Engineering", 2000, 10, pp. 18-21) . In a known power plant, a supercapacitor is used as the energy storage system, a stationary AC consumer is connected to the inverter output, and the control system is connected only to the drive motor.

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. A disadvantage of the known combined power plant is the imperfection of the electric power storage system and the control system, as well as the difficulty of connecting various consumers of the generated electric power, which leads to unproductive losses and reduces the efficiency of the power plant.

Задачей изобретения является повышение эффективности комбинированной энергоустановки при одновременном повышении ее эксплуатационной надежности. The objective of the invention is to increase the efficiency of a combined power plant while increasing its operational reliability.

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. The solution to this problem is provided by a new combined power plant with a molecular electric energy storage device containing a drive motor mechanically coupled through a transmission element to an electric generator, to the terminals of which a rectifier connected through an energy storage system with an inverter, a stationary AC consumer and a control system is connected, while the system energy storage is made in the form of a series-connected molecular energy storage device and a charge a discharge device, to the output of which an auxiliary DC consumer is connected, through a controllable switch connected to a controllable breaker that is connected between a rectifier made controllable and an inverter made reversible; in this case, it is preferable: the charge-discharge device is made in the form of a reverse diode, in parallel with which a current-limiting resistor and a thyristor are connected in series, the control electrode of which is connected to an auxiliary DC consumer through a capacitor and a second current-limiting resistor; the generator is performed in the form of an alternating current generator, to the terminals of which a stationary AC consumer is connected; the power plant is additionally equipped with a pulsed DC consumer with a control switch connected to the terminals of the controlled rectifier; the power plant is additionally equipped with a pulsed AC consumer connected to the output of a reversible inverter; the control system must be connected to a controlled engine, an alternator, controlled by a rectifier, a reversible inverter, a charge-discharge device controlled by switches and a controlled breaker; mechanically couple the drive motor to the generator by means of a gearbox or multiplier; molecular storage of electricity to perform in the form of a unit consisting of series-connected capacitor elements with a double electric layer; the charge-discharge device is performed in the form of a unit, the output terminals of which are connected to a molecular energy storage device and to one of the poles of a controlled rectifier.

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. In the inventive combined power plant, an increase in efficiency is achieved through the implementation of an energy storage system in the form of a series-connected molecular energy storage device and a charge-discharge device, preferably on semiconductor elements, and through the introduction of controllable switches and a disconnector connected to the control system. The molecular energy storage device uses the phenomenon of formation of a barrier electric field on the interphase surface of the electronic and ionic conductors, and due to the developed surfaces in the transition zone, it is possible to ensure very high values of specific energy consumption. During the operation of the power plant, the consumer is periodically connected to the molecular storage device and due to its high specific power, it is possible to provide a steep front of the current rise and thereby accelerate, for example, acceleration of the electric motor. In the claimed power plant, a stationary alternating current consumer and a controlled rectifier are connected to the terminals of the alternating current generator, to the output of which a stationary direct current consumer with a switch is connected, which allows you to clearly control the amount of energy consumption and increase the efficiency of the power installation by reducing unproductive losses. The charge-discharge device connected to the control system additionally regulates the process of charging and discharging the molecular energy storage device and at the same time creates the possibility of connecting an auxiliary DC consumer to the power plant. The claimed power plant uses an extensive control system on microprocessors, which allows to reduce overhead costs of generated electricity and increase the efficiency of the combined power plant.

На чертеже приведена блок-схема заявленной комбинированной энергоустановки с молекулярным накопителем электроэнергии. The drawing shows a block diagram of the claimed combined power plant with a molecular energy storage.

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. An energy installation includes: a drive motor 1, mechanically coupled through a transmission element 2 to an alternating current generator 3, to the terminals of which a constant current consumer 4 is connected and a controlled rectifier 5, which is connected through a controlled breaker 6 to a reversible inverter 7, to the output of which a pulse or intermittent action of an alternating current consumer 8, while an impulse direct current consumer 9 is additionally connected to the output of the controlled rectifier switch 10 and connected in series with a molecular energy storage device 11 and a charge-discharge device 12, which includes a reverse diode -13, in parallel with which a thyristor 14 and a current-limiting resistor 15 are connected in series, while the thyristor control electrode is connected through a second current-limiting resistor 16 and a capacitor 17 is connected to an auxiliary consumer of direct current 18, which through a controlled switch 19 is connected to a controlled breaker, and a control system 20, cat The latter is connected to a drive motor 1, an alternator 3, controlled by a rectifier 5, controlled by switches 10 and 19, controlled by a switch 6, a charge-discharge device 12 and a reversible inverter 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. As the drive engine 1 can be used, for example, a carburetor, diesel, pneumohydraulic, gas turbine wind turbine. The transmission element 2 through which the drive motor 1 is coupled to the electric generator 3, it is preferable to perform in the form of a multiplier or gearbox. The electric generator is made in the form of an alternating current generator 3, to the terminals of which a constant consumer of alternating current 4 and a controlled rectifier 5 are connected, which is preferably made in the form of a block. Molecular energy storage device (see Ivanov A.M. and Gerasimov AF, “Molecular energy storage devices based on a double electric layer”, “Electricity”, 1991, 8, pp. 16-19) 11 is performed as series-connected capacitor elements with a double electric layer, which are placed in a housing with terminals, one of which is connected to the pole of the controlled rectifier 5, and the other to the charge-discharge device 12. Preferably, the charge-discharge device 12 is based on the thyristor 14 in the form of a block , bottom input terminal of which is connected to the molecular drive power 11, and the other - to the pole of the control rectifier 5. The inverter 7 is reversible, allowing the user to use 8 for charging power storage device 11 of molecular, with a view to storage, for example, the braking power of the traction motor.

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. The work of the claimed combined power plant with a molecular energy storage will be considered using it as an electric power source in a vehicle made in the form of a hybrid electric bus.

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. After starting the drive motor 1 and bringing it and the alternator 3 to the nominal mode at a constant frequency of rotation of the motor shaft, the power plant supplies alternating current electric power 4 to the constant consumer 4 and the auxiliary consumer 18, which is connected when the controlled switch 19 is triggered. a circuit comprising a positive pole of a controlled rectifier 5, a second current-limiting resistor 16, a capacitor 17, a thyristor control electrode and 14, the first current-limiting resistor 15 and the negative pole of the controlled rectifier 5. A short-term operation of the controlled switch 19 is enough to charge the capacitor 17 and open the thyristor 14, through which the charge of the molecular energy storage device 11 starts. At the end of its charging process, the device is ready for operation even when it is activated controlled switch 10 there is a discharge of the molecular energy storage device 11 to the DC consumer 9. The voltage drop across the reverse diode 13 is reverse for thyristor 14 and the latter is locked. When the controlled switch 10 is opened, the molecular energy storage device 11 is disconnected from the controlled rectifier 5 and the direct current consumer 9 due to the closed state of the thyristor 14 and the diode 13 being turned back on. The voltage recorded at the terminals of the controlled rectifier 5 at the time of decrease is recorded on the molecular energy storage device 11 drive discharge current to zero. Under reduced voltage, the molecular energy storage device 11 will remain until the controlled switch 19 is turned on when the next discharge pulse is formed.

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. Similarly, when the controlled switch 6 is activated, the molecular energy storage device 11 is discharged to the alternating current consumer 8 through a reversible inverter 7. When the controlled switch 6 is opened, the molecular energy storage device 11 is disconnected from the controlled rectifier 5 and consumer 8, due to the closed state of the thyristor 14 and reverse switching diode 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. In the considered operating modes of the claimed combined power plant, the molecular energy storage device 11, unlike the known combined power plants, is not permanently connected to the controlled rectifier 5 and is in a partially discharged state, which makes it possible to increase the operational reliability of the power plant.

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%. Compared to the known ones, the declared combined power plant with a molecular electric energy storage device makes it possible to increase the energy conversion efficiency by more than 15% due to a more advanced electric energy storage system and to reduce unproductive energy and fuel consumption. The installed power of the drive motor and generator operating at constant speed can be reduced by at least 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. The claimed combined power plant with a molecular electric energy storage device can be effectively used in autonomous power plants, in particular, power plants with electric start-up of carburetor and diesel internal combustion engines, electric vehicles and other types of electric vehicles, in electric drives of short-term action, mobile X-ray and pulse installations.

Claims

1. A combined power plant with a molecular energy storage device, comprising a drive motor mechanically coupled through a transmission element to an electric generator, to the terminals of which a rectifier is connected, connected through an energy storage system to an inverter, a stationary AC consumer and a control system, characterized in that the storage system energy is made in the form of series-connected molecular storage of electricity and a charge-discharge device, while in The output of the charger is connected to an auxiliary consumer of direct current, through a controllable switch connected to a controllable disconnector, which is connected between a rectifier made controllable and an inverter made reversible.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that the charge-discharge device consists of a reverse diode, in parallel with which a first current-limiting resistor and a thyristor are connected in series, the control electrode of which is connected to an auxiliary DC consumer through a capacitor and a second current-limiting resistor.

3. An energy installation according to claim 1, characterized in that the generator is made in the form of an alternating current generator, to the terminals of which a stationary alternating current consumer is connected.

4. The power plant according to claim 1, characterized in that it additionally introduces a pulsed DC consumer with a controlled switch connected to the terminals of the controlled rectifier.

5. Power plant according to claim 1, characterized in that it additionally includes a pulsed AC consumer connected to the output of a reversible inverter.

6. Power plant according to any one of these paragraphs, characterized in that the control system is connected to a drive motor, an alternating current generator controlled by a rectifier, a reversible inverter, a charge-discharge device controlled by switches and a controlled breaker.

7. Power plant according to claim 1, characterized in that the drive motor is mechanically coupled to the generator by means of a transmission element made in the form of a gearbox or multiplier.

8. The power plant according to claim 1, characterized in that the molecular energy storage device is made in the form of a unit consisting of series-connected capacitor elements with a double electric layer.

9. Power plant according to claim 1 or 8, characterized in that the charge-discharge device is made in the form of a unit, the input terminals of which are connected to a molecular energy storage device and to one pole of a controlled rectifier.