RU2530743C1

RU2530743C1 - Self-contained electric power supply system

Info

Publication number: RU2530743C1
Application number: RU2013115066/07A
Authority: RU
Inventors: Армен Александрович Атоян; Михаил Витальевич Миронов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГРАТОН-СК" ООО "ГРАТОН-СК"
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2014-10-10
Also published as: RU2013115066A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in the circuit there is an auxiliary synchronization and load distribution unit with data input and two data outputs and generator excitation control unit, the first output of the synchronization and load distribution unit is coupled through the generator excitation control unit to the generator control system while its second output is coupled to combustion engine control system and its input is coupled to the third auxiliary data output of the switching unit, at that the first inverter input is connected to the generator output and the first output of the switching unit is connected to the power consumer. Parallel operation of the inverter and electric generator allows solving power supply issue for burglar alarm operation at country estates, at production premises, etc. and during the period of electricity non-availability.

EFFECT: improving overload capacity of the system in off-line operation at occurrence of peak and additional loads by provision of parallel operation of the inverter and electric generator.

1 dwg

Description

Система относится к области электроэнергетики и, в частности, к системам автономного электроснабжения.The system relates to the field of electric power and, in particular, to autonomous power supply systems.

Известна система автономного электроснабжения, описанная в Википедии (ru.wikipedia.org/wiki Система автономного электроснабжения), которая выбрана в качестве прототипа настоящегоу изобретения как наиболее близкая по технической сущности.A known system of autonomous power supply described in Wikipedia (ru.wikipedia.org/wiki Autonomous power supply system), which is selected as a prototype of the present invention as the closest in technical essence.

Система является полуавтономной, т.к. обеспечивает потребителя электропитанием только во время отсутствия напряжения во внешней стационарной питающей сети.The system is semi-autonomous, as provides the consumer with power only during the absence of voltage in the external stationary supply network.

Система содержит: ввод от внешней стационарной сети; электрогенератор с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и электростартером; блок коммутации (БК), выполняющий функции автоматического управления и слежения за системой; аккумуляторную батарею (АКБ); двунаправленный стабилизирующий инвертор, выполняющий функции преобразования переменного тока в постоянный для подзарядки АКБ при наличии напряжения сети и преобразования постоянного тока АКБ в переменный при отсутствии напряжения сети; потребителя напряжения переменного тока; систему автоматического пуска (САП) ДВС электрогенератора.The system contains: input from an external fixed network; an electric generator with an internal combustion engine (ICE) and an electric starter; a switching unit (BC) that performs the functions of automatic control and tracking the system; rechargeable battery (battery); a bi-directional stabilizing inverter that performs the functions of converting AC to DC to recharge the battery in the presence of mains voltage and converting the direct current of the battery into alternating current in the absence of mains voltage; AC voltage consumer; automatic start system (SAP) ICE electric generator.

При наличии напряжения внешней электрической сети происходит зарядка АКБ системы через инвертор. После отключения сети инвертор быстро (<20 мс) переключается на питание от АКБ. БК следит за состоянием батарей и при их разряде посредством САП включает резервный источник энергии (генератор). После выхода на режим генератора БК переключает нагрузку на него, а инвертор снова начитает накапливать электроэнергию в аккумуляторные батареи. После зарядки батарей либо при перегреве генератора БК вновь переключает нагрузку на инвертор, а генератор выключается. Так происходит до появления напряжения во внешней сети.In the presence of voltage of the external electric network, the battery of the system is charged through the inverter. After disconnecting the network, the inverter quickly (<20 ms) switches to battery power. BC monitors the condition of the batteries and when they are discharged by SAP, it includes a backup energy source (generator). After entering the generator mode, the BC switches the load on it, and the inverter again begins to accumulate electricity in the batteries. After charging the batteries or when the generator overheats, the BC again switches the load to the inverter, and the generator turns off. This happens before the voltage in the external network.

Недостатком системы-прототипа является ее ограниченная перегрузочная способность по отношению к пиковым и дополнительным нагрузкам. Этот недостаток является следствием того, что перегрузочная способность системы ограничена допустимой перегрузочной способностью инвертора, через который проходит вся потребляемая электроэнергия.The disadvantage of the prototype system is its limited overload capacity with respect to peak and additional loads. This drawback is due to the fact that the overload capacity of the system is limited by the permissible overload capacity of the inverter through which all consumed electricity passes.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известной системы автономного питания путем повышения ее перегрузочной способности в автономном режиме работы при возникновении пиковых и дополнительных нагрузок с помощью организации параллельной работы инвертора и электрогенератора.The basis of the invention is the task of improving the well-known autonomous power system by increasing its overload capacity in stand-alone operation in the event of peak and additional loads by organizing the parallel operation of the inverter and electric generator.

Указанная задача решается за счет того, что в известную систему, содержащую: газо-бензо-дизельный электрогенератор с электростартером, систему автоматического пуска электрогенератора, двунаправленный стабилизирующий инвертор с функцией зарядного устройства, имеющий входы: первый - переменного тока для зарядного устройства и второй - постоянного тока для инвертирования в переменный ток, и выходы: первый - переменного тока для питания потребителя и второй - постоянного тока от зарядного устройства; аккумуляторную батарею с входом зарядки и выходами: первым - питания инвертора и вторым - информационным о степени заряженности батареи; блок коммутации с входами: первым и вторым силовыми переменного тока и третьим - информационным для контроля заряженности аккумуляторной батареи, и выходами: первым - силовым переменного тока для питания потребителя и вторым - информационным для управления системой автоматического пуска ДВС, выход которой подключен к системе управления ДВС; силовой выход генератора подключен ко второму силовому входу блока коммутации, его третий вход - ко второму выходу аккумуляторной батареи, ее вход - ко второму выходу инвертора, а ее первый выход - ко второму входу инвертора, согласно изобретению в систему введены дополнительно: блок синхронизации и распределения нагрузки с информационным входом и двумя информационными выходами и блок управления возбуждением генератора, а первый выход блока синхронизации и распределения нагрузки соединен посредством блока управления возбуждением с системой управления генератором, его второй выход - с системой управления ДВС, его вход - с дополнительно введенным третьим информационным выходом блока коммутации, причем первый вход инвертора соединен с выходом генератора, его первый выход - с первым входом блока коммутации, а первый выход блока коммутации подключен к потребителю электроэнергии.This problem is solved due to the fact that in a known system containing: a gas-benzo-diesel electric generator with an electric starter, a system for automatically starting the electric generator, a bi-directional stabilizing inverter with a charger function, having inputs: the first is alternating current for the charger and the second is constant current for inverting into alternating current, and outputs: the first is alternating current for powering the consumer and the second is direct current from the charger; a battery with a charging input and outputs: the first is the inverter power supply and the second is information about the state of charge of the battery; a switching unit with inputs: the first and second AC power and the third - information to control the charge of the battery, and outputs: the first - AC power to power the consumer and the second - information to control the automatic engine start system, the output of which is connected to the ICE control system ; the power output of the generator is connected to the second power input of the switching unit, its third input to the second output of the battery, its input to the second output of the inverter, and its first output to the second input of the inverter, according to the invention, the system is additionally introduced: synchronization and distribution unit loads with an information input and two information outputs and a generator excitation control unit, and the first output of the synchronization and load distribution unit is connected via the excitation control unit to the system control of the generator, its second output is with the internal combustion engine control system, its input is with the third information output of the switching unit added, the first input of the inverter connected to the output of the generator, its first output with the first input of the switching unit, and the first output of the switching unit to the consumer of electricity.

На фиг.1 приведена функциональная схема системы.Figure 1 shows the functional diagram of the system.

Система содержит: электрогенератор 1 переменного тока, газо-бензо-дизельный ДВС 2 с электростартером, двунаправленный стабилизирующий инвертор 3 с функцией зарядного устройства, имеющий входы: первый - 4 переменного тока для зарядного устройства и второй - 5 постоянного тока для инвертирования в переменный ток, и выходы: первый - 6 переменного тока от выхода собственно инвертора и второй - 7 постоянного тока от выхода зарядного устройства; аккумуляторную батарею 8 с входом 9 зарядки и выходами: первым -10 для питания инвертора 3 и вторым - 11 информационным о степени заряженности батареи 8; блок 12 коммутации с входами: первым - 13 и вторым -14 силовыми переменного тока и третьим - 15 информационным для контроля заряженности аккумуляторной батареи, и выходами: первым - 16 силовым переменного тока для питания потребителя 17, вторым - 18 информационным для управления системой 19 автоматического пуска ДВС, третьим - 20 информационным, блок 21 синхронизации и распределения нагрузки с информационным входом 22 и двумя информационными выходами: первым - 23 и вторым 24, блок 25 управления возбуждением генератора. Выход генератора 1 соединен со входом 4 инвертора 3 и входом 14 блока 12 коммутации. Вход 5 инвертора 3 и его выход 7 соединены соответственно с выходом 10 и входом 9 аккумуляторной батареи 8, а выход 6 инвертора - со входом 13 блока 12 коммутации, вход которого 15 соединен с выходом 11 аккумуляторной батареи 8. Выходы 16, 18, 20 блока 12 коммутации соединены соответственно со входом потребителя 17 электроэнергии, со входом системы управления ДВС 2 через систему 19 автоматического пуска, со входом блока 21 синхронизации и распределения нагрузки. Выход 23 блока 21 соединен с системой возбуждения генератора 1 через блок 25 управления возбуждением, а его выход 24 - со входом системы управления ДВС 2.The system contains: an alternating current electric generator 1, a gas-benzo-diesel ICE 2 with an electric starter, a bi-directional stabilizing inverter 3 with a charger function, having inputs: the first - 4 alternating currents for a charger and the second - 5 direct currents for inverting into alternating current, and outputs: the first - 6 alternating current from the output of the inverter itself and the second - 7 direct current from the output of the charger; rechargeable battery 8 with charging input 9 and outputs: the first -10 to power the inverter 3 and the second - 11 information about the degree of charge of the battery 8; switching unit 12 with inputs: the first 13 and the second 14 power AC and the third 15 information to control the charge of the battery, and the outputs: the first 16 power AC to power the consumer 17, the second 18 information to control the automatic system 19 engine start, the third - 20 information, block 21 synchronization and load balancing with information input 22 and two information outputs: the first - 23 and second 24, block 25 control the excitation of the generator. The output of the generator 1 is connected to the input 4 of the inverter 3 and the input 14 of the switching unit 12. The input 5 of the inverter 3 and its output 7 are connected respectively to the output 10 and the input 9 of the battery 8, and the output 6 of the inverter is connected to the input 13 of the switching unit 12, the input of which 15 is connected to the output 11 of the battery 8. The outputs 16, 18, 20 of the block 12 switching connected respectively to the input of the consumer 17 of electricity, with the input of the control system of the engine 2 through the automatic start system 19, with the input of the block 21 synchronization and load balancing. The output 23 of the block 21 is connected to the excitation system of the generator 1 through the excitation control unit 25, and its output 24 is connected to the input of the internal combustion engine control system 2.

Система не имеет ввода от внешней стационарной сети и работает полностью автономно. В процессе работы системы без перегрузок потребитель 17 непрерывно получает электроэнергию от АКБ 8 через инвертор 3 и БК 12 (его вход 13 соединен с выходом 16). БК 12 контролирует степень заряженности АКБ 8 по входу 15 и, по мере необходимости, посредством САП 19 периодически запускает ДВС 2, и генератор 1 через двунаправленный инвертор 3 подзаряжает АКБ 8 до напряжения необходимой величины. АКБ 8 и инвертор 3 поддерживают кратковременные пиковые нагрузки мощностью в 2-3 раза выше номинальной. При появлении избыточной дополнительной продолжительной нагрузки БК 12 по выходу 18 дает команду САП 19 на запуск ДВС 2, не дожидаясь разряда АКБ 8. После запуска ДВС 2 и выхода на режим БК 12 по выходу 20 подает команду БСРН 21 синхронизировать генератор 1 с инвертором 3. БСРН 21 анализирует информацию о частотах и фазах напряжений инвертора 3 и генератора 1, поступающую на его вход 22 с выхода 20 БК 12, и выравнивает частоты и фазы, воздействуя сигналами управления с выхода 24 на вход системы управления ДВС 2. Одновременно с этим БСРН 21 посредством БУВ 25, воздействуя на систему возбуждения генератора 1, выравнивает его напряжение с напряжением инвертора. После выравнивания частот, фаз и напряжений БК 12 подключает генератор 1 параллельно инвертору 3, подсоединяя его вход 14 к выходу 16. В течение непродолжительного отрезка времени, необходимого для запуска ДВС 2 и синхронизации генератора 1 с инвертором 3, инвертор поддерживает избыточную нагрузку потребителя 17. После параллельного подсоединения генератора 1 к инвертору 3 БСРН 21 посредством БУВ 25 увеличивает ток возбуждения генератора 1 и переводит избыток реактивной составляющей тока потребления с инвертора на генератор, а, воздействуя сигналами с выхода 24 на систему управления ДВС 2, БСРН 21 увеличивает вращательный момент на валу генератора и угол выбега его ротора, также переводя избыток активной составляющей тока потребления с инвертора на генератор. Таким образом, инвертор 3 разгружается до уровня номинальной мощности, а всю его избыточную нагрузку принимает на себя генератор 1. Если АКБ 8 разряжается до снятия дополнительной нагрузки, БСРН 21 еще больше увеличивает активную составляющую тока генератора 1, чтобы обеспечить зарядку АКБ 8 с выхода 7 инвертора 3 по входу 9. Таким образом, потребитель 17 может развить мощность, равную суммарной мощности инвертора 3 и генератора 1 без их перегрузки.The system does not have input from an external fixed network and works completely autonomously. In the process of the system without overloads, the consumer 17 continuously receives electricity from the battery 8 through the inverter 3 and BK 12 (its input 13 is connected to the output 16). BC 12 controls the degree of charge of the battery 8 at the input 15 and, as necessary, through the SAP 19 periodically starts the engine 2, and the generator 1 through the bidirectional inverter 3 recharges the battery 8 to the voltage of the required value. Battery 8 and inverter 3 support short-term peak loads with a capacity of 2-3 times higher than the nominal. If there is an excess additional continuous load, the BC 12 at the output 18 gives the SAP 19 command to start the ICE 2, without waiting for the battery to discharge 8. After starting the ICE 2 and entering the BC 12 mode, the output 20 instructs the BSRN 21 to synchronize the generator 1 with the inverter 3. BSRN 21 analyzes the information about the frequencies and phases of the voltages of the inverter 3 and generator 1 supplied to its input 22 from the output 20 of the BC 12, and equalizes the frequencies and phases by applying control signals from the output 24 to the input of the ICE control system 2. At the same time, the BSRN 21 by BUV 25, cart acting on the excitation system of the generator 1, equalizes its voltage with the voltage of the inverter. After aligning the frequencies, phases and voltages, the BC 12 connects the generator 1 parallel to the inverter 3, connecting its input 14 to the output 16. During the short period of time necessary to start the ICE 2 and synchronize the generator 1 with the inverter 3, the inverter supports the consumer overload 17. After parallel connection of the generator 1 to the inverter 3 BSRN 21 by BUV 25 increases the excitation current of the generator 1 and transfers the excess reactive component of the current consumption from the inverter to the generator, and, acting on the signal s from the output 24 to the control system of the internal combustion engine 2, BSRN 21 increases the torque on the generator shaft and the angle of the stick out of its rotor, as the active component transferring excess current consumption from the inverter to the generator. Thus, the inverter 3 is unloaded to the level of rated power, and the generator 1 takes on all of its excess load. If the battery 8 is discharged before the additional load is removed, the BSRN 21 further increases the active component of the current of the generator 1 in order to charge the battery 8 from output 7 inverter 3 at the input 9. Thus, the consumer 17 can develop power equal to the total power of the inverter 3 and generator 1 without overloading them.

Отличительные признаки заявляемого решения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом: повышением перегрузочной способности автономной системы электроснабжения при возникновении пиковых и дополнительных нагрузокDistinctive features of the proposed solution are in causal connection with the achieved technical result: increased overload capacity of the autonomous power supply system in the event of peak and additional loads

При изучении патентной и технической литературы авторы не нашли источника, содержащего признаки, отличающие заявляемое решение. Это позволяет считать его соответствующим критерию «новизна».When studying patent and technical literature, the authors did not find a source containing signs that distinguish the claimed solution. This allows us to consider it relevant to the criterion of "novelty."

Несмотря на актуальность проблемы, аналогичное решение с указанным результатом не было предложено ранее, и оно не является очевидным для специалиста, что позволяет считать его соответствующим критерию «изобретательский уровень».Despite the relevance of the problem, a similar solution with the specified result was not proposed earlier, and it is not obvious to the specialist, which allows us to consider it relevant to the criterion of "inventive step".

Описанная система является технически завершенной, выполнена на известной элементной базе и может быть изготовлена промышленным способом.The described system is technically complete, made on a known elemental base and can be manufactured industrially.

Claims

An autonomous power supply system comprising: a gas-benzo-diesel electric generator with an electric starter, an automatic generator start-up system, a bi-directional stabilizing inverter with a charger function, having inputs: the first is alternating current for powering the charger and the second is direct current for inverting into alternating current, and outputs: the first is alternating current for powering the consumer and the second is direct current from the charger; a battery with a charging input and outputs: the first is the inverter power supply and the second is information about the state of charge of the battery; a switching unit with inputs: the first and second AC power and the third - information to control the charge of the battery, and outputs: the first - AC power to power the consumer and the second - information to control the automatic engine start system, the output of which is connected to the ICE control system ; the generator’s power output is connected to the second power input of the switching unit, its third input to the second output of the battery, its input to the second output of the inverter, and its first output to the second input of the inverter, characterized in that it is additionally introduced into it: synchronization unit and load distribution with an information input and two information outputs and a generator excitation control unit, and the first output of the synchronization and load distribution unit is connected via the excitation control unit to the system control of the generator, its second output is with the internal combustion engine control system, its input is with the third information output of the switching unit additionally entered, the first input of the inverter connected to the generator output, its first output with the first input of the switching unit, and the first output of the switching unit connected to electricity consumer.