ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА 1. Тема проекта: Российской Федерации:

ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА
1. Тема проекта: Экономичные электростанции.
2. Приоритетные направления развития науки, технологий и техники
Российской Федерации: энергоэффективность, энергосбережение, ядерная
энергетика.
3. Критические технологии Российской Федерации, в которых возможно использование результатов научного исследования: технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии.
4. Ключевые слова и словосочетания, характеризующие тематику
проекта: автономная электростанция, синхронный генератор, двигатель внутреннего сгорания, энергосбережение, энергоэффективность.
5. Код(ы) ГРНТИ, охватываемые научным проектом: 45.37.00,
45.53.45.
6. Цель проекта: повышение эффективности использования топлива автономными электростанциями на базе системы "двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – генератор" (Д-Г), увеличение их моторесурса, повышение качества вырабатываемой электроэнергии.
7.Актуальность, научная новизна проекта, существующий задел:
Одной из важнейших задач современной России является энергосбережение, в частности, эффективное использование топливных ресурсов. Существенная часть электроэнергии в России вырабатывается автономными электростанциями на базе системы Д-Г постоянной скорости вращения вала. К ним относятся автономные электростанции, размещенные на суше и на подвижных объектах, таких как суда речного и морского флота, локомотивы и автотранспорт.
Автономные Д-Г работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% от номинального значения. Известно, что для
обеспечения оптимального, с точки зрения потребления топлива, режима работы ДВС, необходимо уменьшение его скорости вращения пропорционально
снижению мощности нагрузки в соответствии с многопараметровой характеристикой ДВС. Следовательно, экономичный режим работы автономных электростанций может быть достигнут путем построения их на базе Д-Г переменной
скорости вращения вала.
Достаточно большое количество производителей как зарубежных, так и
отечественных выпускают широкий спектр Д-Г электростанций различной
мощности. К ведущим зарубежным производителям Д-Г электростанций относятся следующие компании: Caterpillar (США), Eisemann (Германия), Endress
(Германия), Fubag (Германия/Китай), Elemax (Япония), Hitachi (Япония), Honda
(Япония), SDMO (Франция), Energo (Франция), Cummins (Англия), Lister Petter
(Англия), Hyundai (Корея/Китай), Kipor (Китай). В России производством Д-Г
электростанций занимается также достаточно большое количество производителей, таких как, например, Энерго, Вепрь, ТСС (совместно с Китаем) и др.
2
Д-Г электростанции выпускаются на базе бензиновых, дизельных или газовых ДВС. Бензиновые электростанции применяются для бытовых нужд,
строительных и аварийно-восстановительных работ, для аварийного и резервного электроснабжения. Дизельные электростанции применяются для тех же
целей, что и бензиновые, а также для электроснабжения таких автономных
объектов, как речные и морские суда. Газовые электростанции работают на
пропанобутановых смесях, природном или промышленном газе. В качестве
электрического генератора в составе Д-Г применяются, как правило, генераторы синхронного типа, реже - асинхронные генераторы.
Подавляющее большинство Д-Г электростанций работает с постоянной
скоростью вращения вала, за счет чего обеспечивается стабильность частоты
выходного напряжения.
В последние годы ряд зарубежных производителей, таких как SDMO,
Honda, Fubag, Hyundai, Kipor, начали выпускать так называемые инверторные
электростанции. В инверторных электростанциях на выходе электрогенератора
установлен инверторный блок, наличие которого позволяет значительно улучшить качество выходного напряжения. Выходное напряжение у инверторной
электростанции практически синусоидально, в отличие от обычных Д-Г электростанций. Наличие инвертора на выходе генератора существенно упрощает
процесс включения электростанций инверторного типа на параллельную работу
и повышает устойчивость параллельной работы. В инверторных электростанциях нет необходимости устанавливать маховик на валу ДВС, что значительно
снижает массу и габариты электростанции, иногда до 50%. Инверторные электростанции характеризуются меньшим потреблением топлива благодаря наличию инверторной системы зажигания, а также благодаря наличию функции переключения ДВС в экономичный режим работы. Под экономичным режимом
работы в данном случае понимается перевод ДВС на пониженную скорость
вращения при снижении нагрузки ниже определенного уровня (примерно ниже
50% от номинальной мощности). В электростанциях инверторного типа изменение скорости вращения ДВС в зависимости от мощности нагрузки носит ступенчатый характер – при снижении мощности нагрузки ниже определенного
значения (примерно 50 % от номинальной мощности) происходит скачкообразное уменьшение скорости вращения ДВС. Достигаемое при этом уменьшение
удельного расхода топлива – до 20% (при малых мощностях нагрузки). Стабильность параметров выходного напряжения электростанции обеспечивается с
помощью инверторного блока.
Ступенчатое регулирование скорости ДВС в зависимости от мощности
нагрузки, конечно, позволяет работать ДВС в более оптимальном с точки зрения потребления топлива режиме, чем при постоянной скорости, но возможности режима ДВС с переменной скоростью вращения в плане экономии топлива
оказываются значительно недоиспользованы. Для получения большей экономии топлива Д-Г необходимо непрерывное изменение его скорости вращения в
зависимости от снижения мощности нагрузки в соответствии с многопараметровой характеристикой ДВС, которая имеет нелинейный характер и индивидуальна для каждого конкретного ДВС.
3
Несмотря на то, что инверторные электростанции российских производителей на рынке отсутствуют, работы по созданию Д-Г переменной скорости
вращения в России ведутся, начиная с середины 70-х годов 20 века. Известны
варианты реализации Д-Г переменной скорости вращения на базе асинхронного генератора с фазным ротором и возбуждением со стороны ротора (работы
Н.Д. Торопцева). Однако, в таких вариантах при значительном снижении скорости вращения для обеспечения стабильных параметров электроэнергии, требуется существенное увеличение мощности системы возбуждения асинхронного генератора. Например, для обеспечения регулирования скорости вращения
ДВС до 30 % от номинального значения, необходима система возбуждения
мощностью 0,75Рном (Рном – мощность нагрузки на статор асинхронной машины).
Существуют и такие решения, которые позволяют обеспечить стабильные
параметры электроэнергии при мощности возбуждения асинхронного генератора 0,25 Рном, но при этом уменьшение скорости ДВС ограничивается на
уровне 70% от номинального значения (работы А.В. Орлова, В.А. Пуштинского, В.В. Сапожникова).
Известны варианты Д-Г переменной скорости вращения на базе синхронного генератора (СГ) (А.Е. Загорский, Ю.Г. Шакарян). Недостатком этого варианта Д-Г, является то, что стабилизация амплитуды напряжения статора СГ,
соединенного с валом ДВС, выполняется путем воздействия на величину тока
обмотки возбуждения синхронной машины с помощью регулятора напряжения.
При уменьшении скорости вращения автономного Д-Г пропорционально мощности нагрузки, минимальная скорость вращения вала может в несколько раз
отличаться от номинальной скорости. Следовательно, и амплитуда напряжения
СГ будет меняться в широком диапазоне, и ее минимальное значение будет в
несколько раз меньше номинального значения. Поэтому способ стабилизации
амплитуды напряжения статора СГ, основанный на воздействии на ток обмотки
возбуждения, не обеспечит поддержания его на уровне номинального значения
при изменении скорости вращения Д-Г пропорционально мощности нагрузки.
Таким образом, описанные выше варианты Д-Г переменной скорости вращения не позволяют обеспечить максимально эффективный с точки зрения
экономии топлива режим работы ДВС при изменении мощности нагрузки в
широких пределах.
Обеспечить наиболее оптимальный режим работы Д-Г с точки зрения потребления топлива возможно посредством варианта построения системы Д-Г
переменной скорости вращения на базе преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного напряжения, повышающего трансформатора и задатчика эффективного режима работы ДВС (ЗЭР). Предлагается строить Д-Г переменной
скорости вращения по функциональной схеме, представленной на рис.1.
4
8
9
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 1. Функциональная схема системы Д-Г переменной скорости вращения
1 – ДВС; 2 – СГ; 3 – управляемый выпрямитель; 4 – инвертор напряжения; 5 –
ПЧ; 6 – повышающий трансформатор; 7 – выходные выводы; 8 – система
управления; 9 – задатчик экономичного режима ДВС
Устройство работает следующим образом. Система управления 8 получает
сигнал о токе, потребляемом нагрузкой и напряжении на выходных выводах 7.
На основании этих данных система управления 8 вычисляет мощность, потребляемую нагрузкой. В соответствии с мощностью нагрузки, ЗЭР 9, который входит в состав системы управления 8 и в программу работы которого заложены
оптимальные зависимости скорости вращения ДВС от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива (многопараметровые характеристики ДВС), задает оптимальную скорость вращения вала ДВС и поддерживает ее на стабильном уровне. Таким образом, при изменении мощности
нагрузки на выходных выводах 7, а значит и на валу ДВС, скорость вращения
вала ДВС 1 будет поддерживаться оптимальной с точки зрения потребления
топлива.
Поскольку скорость вращения вала ДВС 1 будет меняться в зависимости
от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения СГ 2
будут также при этом меняться в широких пределах. Стабилизация амплитуды
переменного напряжения на выходных выводах 7 на уровне номинального значения для синхронного генератора (СГ) 2 осуществляется следующим образом.
Управляемый выпрямитель 3 преобразует переменное напряжение статора
СГ 2 в постоянное напряжение заданной величины. Стабилизация выходного
напряжения управляемого выпрямителя 3 на заданном уровне осуществляется с
помощью системы управления 8. Выходное напряжение управляемого выпрямителя 3 преобразуется с помощью инвертора 4, управляемого блоком 8, в переменное напряжение синусоидальной формы, амплитуда которого равна постоянному напряжению на выходе управляемого выпрямителя 3.
Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 9 до уровня
номинального напряжения СГ 2 на выходе ПЧ 5 включен повышающий трансформатор 6. При задании с помощью системы управления 8 величины выходного напряжения управляемого выпрямителя 3, равной отношению амплитуды
номинального напряжения статора СГ 2 к коэффициенту трансформации повышающего трансформатора 6, на выходных выводах 7 будет формироваться
переменное трехфазное напряжение, амплитуда которого будет равна номи-
5
нальному значению напряжения СГ 2. Система управления 8 формирует ток в
обмотке возбуждения СГ 2 с учетом выходного сигнала ЗЭР 9.
Одной из важнейших задач при создании электростанции на базе Д-Г с
переменной скоростью вращения является разработка ЗЭР ДВС, который в зависимости от мощности ДВС должен формировать на своем выходе оптимальные, с точки зрения потребления топлива, значения скорости вращения вала
ДВС.
Значения оптимальной скорости вращения вала ДВС могут быть определены по многопараметровой характеристике ДВС. Однако, многопараметровая
характеристика для каждого конкретного ДВС носит индивидуальный характер
(характеристики двух ДВС одного типа и мощности отличаются), и производители ДВС, как правило, не предоставляют таких характеристик. Рассчитать
многопараметровую характеристику невозможно, ее можно получить только
экспериментальным путем. Кроме того, многопараметровая характеристика
ДВС будет меняться в зависимости от условий внешней среды, от степени износа ДВС и от качества топлива. Поэтому актуальной является задача разработки специального устройства - ЗЭР, которое при отсутствии многопараметровой характеристики автоматически вычисляло бы значение оптимальной
скорости для текущего значения мощности нагрузки в данный момент времени
при условии меняющихся внешних и внутренних условий работы ДВС. Следовательно, ЗЭР должен быть самообучающейся системой. Построение такой системы наиболее целесообразно проводить на основе систем искусственного интеллекта - нейросетевой или нечеткой логике.
Автором проекта вместе с коллегами разработан и создан опытный образец автономной электростанции на базе Д-Г переменной скорости вращения
мощностью 4 кВт, построенный по схеме, приведенной на рис.1. Фото стенда
представлено на рис.2.
Д-Г с переменной скоростью вращения, построенный по схеме, приведенной на рис.1, позволяет обеспечить не только максимально возможную экономию топливных ресурсов и повысить моторесурс ДВС, но и упростить автоматизацию параллельной работы и распределения нагрузок между параллельно
работающими Д-Г, а также повысить качество электроэнергии в статических и
в переходных режимах (сброс и наброс нагрузки).
На структуру Д-Г переменной скорости вращения (рис.1) автор со своим
коллегой получил приоритетный документ – Дарьенков А.Б., Хватов О.С. Автономная электростанция переменного тока. Патент РФ на изобретение №
2412513, бюл. №5, 2011 г. По результатам работы автором с коллегами опубликовано 19 научных работ.
Автор видит дальнейшее развитие проводимой ими работы в совершенствовании конструкции высокоэкономичной автономной электростанции, которое заключается в теоретической проработке и создании опытного образца
электростанции, из которой исключен повышающий трансформатор за счет
применения электрогенератора специальной конструкции. Это позволит еще
больше повысить КПД автономной электростанции, а также снизить массогабаритные показатели и стоимость электростанции.
6
Рис. 2. Фото опытного образца Д-Г переменной скорости вращения мощностью
4 кВт
8. Задачи проекта:
1 задача
Проведение теоретических исследований электростанций на базе Д-Г переменной скорости вращения с электрогенератором специальной конструкции:
1) разработка математических и имитационных моделей Д-Г переменной скорости вращения; 2) исследование динамических и статических режимов работы
Д-Г переменной скорости вращения.
2 задача
Разработка эскизной конструкторской документации на опытный образец
Д-Г переменной скорости вращения с электрогенератором специальной конструкции мощностью 1 кВт: 1) разработка схемы электрической функциональной опытного образца Д-Г переменной скорости вращения; 2) разработка схемы
электрической принципиальной опытного образца Д-Г переменной скорости
вращения; 3) разработка схемы электрической соединений и подключения Д-Г
переменной скорости вращения; 4) разработка алгоритма работы ЗЭР Д-Г переменной скорости вращения; 5) разработка алгоритма работы системы управления Д-Г переменной скорости вращения; 6) разработка программы ЗЭР Д-Г
переменной скорости вращения; 7) разработка программы для системы управления Д-Г переменной скорости вращения.
7
3 задача
Изготовление опытного образца Д-Г переменной скорости вращения с
электрогенератором специальной конструкции мощностью 1 кВт: 1) изготовление отдельных модулей опытного образца Д-Г переменной скорости вращения
(электрогенератора, ЗЭР, системы управления, инверторного блока и др.); 2)
проведение предварительных испытаний отдельных модулей и опытного образца Д-Г переменной скорости вращения в целом; 3) корректировка эскизной
конструкторской документации по результатам предварительных испытаний.
4 задача
Проведение исследовательских испытаний опытного образца Д-Г переменной скорости вращения с электрогенератором специальной конструкции
мощностью 1 кВт: 1) исследование режимов пуска Д-Г переменной скорости
вращения при изменении задания на скорость вращения вала по характеристикам различных типов с различными длительностями пуска; 2) измерение
удельного расхода топлива Д-Г переменной скорости вращения при постоянных значениях cosφ нагрузки, но различных значениях активной мощности
нагрузки; 3) измерение удельного расхода топлива Д-Г переменной скорости
вращения при постоянных значениях активной мощности нагрузки, но разных
значениях cosφ нагрузки; 4) измерение мгновенных значений напряжений и токов Д-Г переменной скорости в различных режимах работы.
5 задача
Обобщение и оценка полученных результатов: 1) сопоставление анализа
научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований Д-Г переменной скорости вращения с электрогенератором специальной конструкции; 2) оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем построения электростанций на базе Д-Г.
9. Методы решения задач научного исследования:
методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе; структурные методы теории автоматического регулирования; математические методы нейросетевой логики; методы моделирования динамических
процессов на ЭВМ и методы экспериментальных исследований.
10. Ожидаемые результаты научного исследования:
Результат проекта будет заключаться в разработке технических решений,
которые позволят создать автономные высокоэкономичные электростанции на
базе Д-Г переменной скорости вращения с электрогенератором специальной
конструкции. Технический эффект будет заключаться в снижении удельного
расхода топлива автономными электростанциями на базе Д-Г переменной ско-
8
рости вращения на 30% (по сравнению с Д-Г постоянной скорости вращения),
а, следовательно, в снижении стоимости производимой ими электроэнергии.
Кроме того, разработанные технические решения позволят увеличить моторесурс ДВС, входящего в состав автономной электростанции, упростить автоматизацию параллельной работы и распределения нагрузок между параллельно
работающими Д-Г, а также повысить качество электроэнергии в статических и
в переходных режимах (сброс и наброс нагрузки). Кроме того, применение в
системах Д-Г переменной скорости вращения отпадает необходимость в использовании маховика на валу ДВС, что существенно улучшает массогабаритные параметры установки в целом.
Опытный образец Д-Г переменной скорости вращения будет построен по
оригинальной структуре, в состав которой входит ЗЭР и генератор специальной
конструкции.
Для исследования динамических и статических режимов работы Д-Г переменной скорости вращения помимо опытного образца будет разработана
имитационная модель, позволяющая исследовать различные режимы работ Д-Г
переменной скорости вращения.
11. Основные направления дальнейшего использования предполагаемых результатов:
Перспективным направлением применения результатов данного проекта
для проведения дальнейших исследований и разработок может быть направление, связанное с созданием энергоустановок на базе ДВС различного назначения.
Д-Г переменной скорости вращения могут быть использованы для построения систем электродвижения автономных объектов. В первую очередь это
речные и морские суда гражданского флота и военные корабли. Электродвижение на судах применяется, когда требуется получить особые механические характеристики приводных двигателей гребных винтов, малую шумность, снижение вибрации, необходимо обеспечивать частое изменение скорости и направления движения судна. При этом гребные электродвигатели на современных
судах, как правило, получают питание вместе с другими потребителями от единой электростанции автономного объекта (ЕЭС). В качестве первичных двигателей ЕЭС зачастую используются ДВС. Преимущества ЕЭС по сравнению с
двумя разнотипными электроэнергетическими установками судна (одна – для
питания гребных электродвигателей, вторая – для питания других электропотребителей судна) следующие: меньшие массогабаритные показатели, более
высокая экономичность за счет более оптимальной структуры электростанции,
более высокая живучесть и надежность судовой электростанции. Основной недостаток ЕЭС – значительное уменьшение КПД электростанции при снижении
нагрузки на нее вследствие низкого КПД ДВС при малых нагрузках. Одним из
вариантов повышения экономичности ЕЭС является применение Д-Г с переменной скоростью вращения. Экономия топлива достигается за счет выбора для
каждого значения мощности нагрузки оптимальной скорости вращения вала
9
ДВС, соответствующей наименьшему удельному потреблению топлива в соответствии с многопараметровой характеристикой.
Электродвижение характерно для таких судов как ледоколы, паромы, некоторые типы судов технического флота, научно-исследовательские суда и др.,
а также для некоторых типов военных кораблей. Широкое распространение системы электродвижения получили на подводном флоте. Практически все дизельные подводные лодки имеют электродвижение.
В России в настоящее время проектированием и производством судовых
систем электродвижения занимаются Центральный НИИ судовой электротехники и электротехнологии (единые электроэнергетические системы спасательного буксирного судна проекта 20180, малого гидрографического судна проекта 19910 и др.), ЗАО НПЦ "Электродвижение судов" (система электродвижения
грузопассажирского парома проекта 00650, малого гидрографического судна
"Вайгач" ). ЦКБ "Рубин" занимается проектированием дизель-электрических
подводных лодок (проекты 611, 613, 641, 641Б, 877, 636, 877Э, 877ЭКМ, 950,
1650). ОАО КБ "Вымпел" занимается проектированием судов с электродвижением (автомобильно-пассажирский паром-ледокол проекта 1731, паром проекта 736, морской железнодорожный паром с ледовыми усилениями "Сахалин"
проекта 1809 и др.). Постройкой судов с электродвижением занимается Объединенная Промышленная Корпорация (дизель-электрические ледоколы
"Москва" и "Санкт-Петербург").
За рубежом идет также активное проектирование и строительство судов с
электродвижением (проектные бюро Sweco Marin (Финляндия), Delta Marin
(Финляндия), Hanseqtic Lloid (Германия), Fincantieri (Италия), судовая верфь
"Kvaerner Masa-Yards" (Финляндия), "Мариенхольн (Швеция), Минаминихон
(Япония) и др.).
Однако все известные ЕЭС характеризуются тем, что скорость вращения
дизелей, в общем случае, неоптимальна с точки зрения потребления топлива,
т.е. в известных ЕЭС нет непрерывного регулирования скорости вращения дизеля в зависимости от мощности нагрузки в соответствии с многопараметровой
характеристикой.
Системы электродвижения нашли применение на автомобильном транспорте. В настоящее время распространение получают гибридные автомобили,
которые выпускаются рядом зарубежных производителей серийно. Силовые
установки гибридных автомобилей строятся по трем основным схемам – последовательной, параллельной и последовательно-параллельной.
Если гибридная установка построена по последовательной схеме, то ДВС
используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним
электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель,
который вращает ведущие колеса. Это избавляет от необходимости в механической трансмиссии (коробке передач и сцеплении). Для подзарядки аккумулятора также используется рекуперативное торможение. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить.
При отключении ДВС электродвигатель и аккумуляторная батарея в состоянии
10
обеспечить необходимую мощность для движения лишь непродолжительное
время. Поэтому аккумуляторы, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а, значит, они будут иметь и большую стоимость. Наиболее эффективна с
точки потребления топлива последовательная схема при движении в режиме
частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е.
в городе. Поэтому ее выгодно использовать в городских автобусах и других видах городского транспорта. При движении за городом, т.е. при длительном
движении на высокой скорости, применение последовательного гибрида неэффективно.
Последовательная гибридная схема используется на карьерном самосвале
Белаз 75600 (Беларусь), не имеющем аналогов в мире. Полная масса этого самосвала 560 тонн. Силовая установка построена на базе дизельного двигателя
Cummins QSK78-C мощностью 2610 кВт, трансмиссия - электрическая, тяговый
генератор - переменного тока Kato мощностью 2536 кВт, 2 мотор-колеса Siemens по 1200 кВт каждый, система управления - Siemens. Аккумулятор из
этой схемы исключен. Здесь гибрид применяется с целью замены механической
трансмиссии на электрическую, поскольку создание механической трансмиссии
для таких мощных самосвалов весьма затруднительно. Кроме того, тяговые
электродвигатели обеспечивают гораздо лучшие тяговые характеристики, чем
ДВС. Замена механической трансмиссии на электрическую дает существенную
экономию топлива, которая в отдельных эксплуатационных режимах может достигать 30 %.
Если гибридная установка построена по параллельной схеме, то ведущие
колеса приводятся во вращение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Вращающий момент, поступающий от двух источников, распределяется в
соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Таким образом, в параллельных
гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему.
Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС. При параллельной схеме гибридной установки ДВС в основном работает с неоптимальным КПД. Некоторая экономия топлива обеспечивается
только за счет запасения в аккумуляторе энергии торможения, которая затем
расходуется при разгоне. Приверженцем такой схемы гибридов является компания "Хонда". Honda выпускает две гибридные модели: Insight и Civic. Такая
схема используется также в автомобиле Volvo I-Sam.
Последовательно-параллельная схема гибридной установки объединяет в
себе преимущества последовательной и параллельной схем. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется
11
только в наиболее эффективных режимах. Поэтому его мощность может быть
ниже, чем в параллельном гибриде. При движении с малой скоростью электродвигатель, приводящий во вращение колеса, питается от аккумулятора. При
движении с большой скоростью (более 60 км/ч) колеса приводятся во вращение ДВС, который при этом работает в зоне максимального КПД. Однако, емкости аккумулятора на движение с малой скоростью хватит ненадолго и тогда
колеса будут приводиться во вращение ДВС, который в этом случае будет работать в зоне неоптимального КПД.
Последовательно-параллельная схема гибрида устанавливается на BMW
X6, на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес-класса Camry, вседорожниках
Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане
Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса — Lexus LS 600h. Ноу-хау компании
Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford
Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди
всех гибридов.
В России работы по созданию гибридного автомобиля проведены ООО
"Городской автомобиль" ("ё-мобиль"). Данный гибрид собран по последовательной схеме.
Основное достоинство всех существующих гибридов по сравнению с
обычными автомобилями – это улучшенная динамика движения.
Экономичность всех гибридов прямо связана с состоянием аккумуляторов. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур,
не любят морозов, подвержены саморазряду, срок службы их ограничен несколькими годами, имеют высокую стоимость. Кроме того, гибриды дают некоторую экономию топлива только в городе, при движении же в смешанном цикле незначительно, а за городом существенно проигрывают современным дизелям.
Как видно, в гибридах, построенных по параллельной и последовательнопараллельной схемам, ДВС работает в оптимальном с точки зрения потребления топлива режиме далеко не всегда, поскольку скорость вращения ДВС не
регулируется в зависимости от мощности нагрузки в соответствии с многопараметровой характеристикой. В последовательном гибриде Д-Г всегда работает с неизменной скоростью и мощностью нагрузки в зоне оптимального КПД,
поскольку он работает только на заряд аккумулятора (исключение составляет,
например, Белаз 75600 – там отсутствует регулирование скорости ДВС в зависимости от мощности нагрузки и отсутствует аккумулятор). Таким образом, аккумулятор, получающий заряд от Д-Г, и питающий тяговые электродвигатели
является буферным элементом между Д-Г и тяговыми электродвигателями. Он
должен быть достаточно большой мощности и иметь большое число циклов
заряда-разряда, что делает его очень дорогим. Поэтому эффект от экономии
топлива в таких гибридах с лихвой компенсируется затратами на аккумуляторы.
Для того, чтобы сделать систему электродвижения автомобиля экономически выгодной необходимо исключить из нее аккумуляторные батареи и обес-
12
печить работу ДВС в зоне оптимального КПД при любом значении мощности
нагрузки.
В связи с этим наиболее целесообразной схемой построения системы
электродвижения автомобиля представляется схема ЕЭС на базе Д-Г переменной скорости вращения.
Функциональная схема предлагаемой ЕЭС (на примере судна) на базе
ДВС переменной скорости вращения представлена на рис.3.
10
11
6
1
3
2
5
4
9
7
8
Рис.3. Функциональная схема ЕЭС на базе Д-Г переменной скорости
вращения
1 – ДВС; 2 – СГ; 3,7 – ПЧ; 4,8 – повышающий трансформатор; 5 – гребной (тяговый) электродвигатель; 6 – гребной винт; 9 – выходные выводы для подключения бортовых потребителей; 10 – система управления; 11 – ЗЭР.
ЕЭС на базе Д-Г переменной скорости вращения (рис.3) содержит ДВС 1,
генератор 2, преобразователи частоты 3,7, гребной (тяговый) электродвигатель
5. ЗЭР 11, входящий в состав системы управления 10, задает скорость вращения
вала ДВС, оптимальную с точки зрения потребления топлива.
В соответствии с требуемой скоростью движения автономного объекта
система управления 10 формирует сигнал задания частоты выходного напряжения ПЧ 3 и определяет скорость вращения гребного (тягового) двигателя 5. Таким образом, ПЧ 3 и повышающий трансформатор 4 являются согласующими
элементами между гребным (тяговым) двигателем 5 и СГ 2, работающими с
разными скоростями вращения. Для питания электропотребителей автономного
объекта на выходе СГ 2 включен ПЧ 7, который совместно с повышающим
трансформатором 8 обеспечивает стабильные значения амплитуды и частоты
напряжения бортовой сети автономного объекта.
ЕЭС на базе Д-Г с переменной скоростью вращения могут применены не
только на судах и автомобилях, но и на таких автономных объектах как дизельные тепловозы, тракторная техника, карьерная техника, танки.
На структуру, приведенную на рис.3 автор с коллегами получил положительное решение о выдаче патента - Дарьенков А.Б., Хватов О.С., Самоявчев
13
И.С. Система электродвижения автономного объекта (Положительное решение
о выдаче патента РФ на изобретение), заявка №2010126706/11 (038003),
29.06.2010 г.
Д-Г нашли применение в ветро-дизель-электрических установках
(ВДЭУ), в которых параллельно с каналом преобразования энергии ветра работает канал преобразования тепловой энергии ДВС. В ряде ВДЭУ возможна параллельная работа этих каналов.
К зарубежным производителям ВДЭУ относятся компании General Electric Wind (США), Nordex (США), DeWind (США), RePower (Германия), Vestas
(Германия), Enercon (Германия), Lagerwey (Нидерланды) и мн. др. В России
ВДЭУ разработана ФГУП "Научно-исследовательский институт электромеханики".
Однако, ныне присутствующие на рынке автономные ВДЭУ, имеют ряд
недостатков, таких как:
- неполное использование по мощности ресурсов ветроколеса, при меняющейся в широких пределах скорости ветрового потока;
- повышенный расход топлива (низкий КПД) и снижение срока службы
ДВС, связанные с отсутствием средств оптимального выбора скорости вращения ДВС при пониженной нагрузке.
Построение автономной ВДЭУ на базе Д-Г с переменной скоростью вращения по предлагаемой схеме (на рис. 3) позволяет устранить вышеуказанные
недостатки ныне существующих систем и тем самым повысить автономность
ВДЭУ при меняющейся в широких пределах мощности нагрузки и скорости
ветрового потока.
Автономная ВДЭУ (рис.4) состоит из двух каналов генерирования электроэнергии (канала преобразования энергии от ветроколеса и канала преобразования энергии от ДВС), а также канала аккумулятора и выходного канала.
Суммирование мощностей каналов генерирования электроэнергии и канала
накопителя энергии производится на шине стабилизированного постоянного
напряжения. Параллельная работа каналов с распределением нагрузки между
ними реализуется в звене постоянного напряжения. Выходной канал обеспечивает потребителей переменным напряжением стабильной частоты и амплитуды.
Автономная ВДЭУ, построенная со схеме, представленной на рис.4, отличается от ныне существующих по трем аспектам:
- за счет использования ЗЭР, в зависимости от мощности нагрузки, обеспечивается выбор оптимальный скорости вращения ДВС, соответствующей оптимальному расходу топлива ДВС;
- за счет использования преобразователей стабилизирующего типа увеличивается диапазон скоростей ветрового потока, в котором осуществляется
отбор мощности с вала ветроколеса;
- за счет использования преобразователей стабилизирующего типа обеспечивается параллельная работа каналов преобразования энергии от ДВС и
ветроколеса с распределением нагрузки между ними.
14
За счет экономии топлива ДВС и более полного использования по мощности скоростного диапазона ветрового потока повышается автономность
ВДЭУ.
15
12
1
2
3
4
10
11
13
14
17
5
6
7
8
9
16
Рис.4. Функциональная схема автономной ВДЭУ на базе Д-Г переменной
скорости вращения
1 – ДВС; 2,6 – генераторы переменного тока; 3,7 – выпрямители; 4,8 – преобразователи стабилизирующего типа; 5 – ветроколесо; 9 – балластная нагрузка; 10
– система управления; 11 – ЗЭР; 12 – аккумулятор; 13 – инвертор напряжения;
14 – выходные выводы; 15 – канала преобразования энергии ДВС; 16- канал
преобразования энергии ветроколеса; 17 – выходной канал