MXPA99001389A - Generador que tiene capacidad de salida de fuente primaria de adaptador de impedancia para la operacion con una eficiencia aumentada al maximo - Google Patents

Abstract

En una unidad de generación de energía eléctrica con una fuente primaria que tiene un eje motor que rota a una velocidad ( que termina una función de energía de salida teniendo en cada valor de ( una pendiente energía-salida/( Md, y un generador que desarrolla energía eléctrica sensible a la rotación del eje, una impedancia eléctrica de generador seleccionada para proveer una pendiente de generador energía-salida/( Mg para aproximar la pendiente Md, asi ( puede ser controlada para maximizar la eficiencia.

Description

GENERADOR QUE TIENE CAPACIDAD DE SALIDA DE FUENTE PRIMARÍA DE ADAPTADOR DE IMPEDANCIA PARA LA OPERACIÓN CON UNA EFICIENCIA AUMENTADA AL MÁXIMO La presente solicitud se relaciona con generadores accionados por fuentes primarias y, más particularmente, con un generador nuevo que tiene una impedancia interna seleccionada para adaptar la capacidad de accionamiento de salida de la fuente primaria todo a lo largo del intervalo de la velocidad de ia fuente para obtener una eficiencia máxima y emisiones mínimas.

ANTEC DENTES DE LÁ ?NVEÑCÍÓN Es bien conocido el accionamiento de un generador eléctrico con uña fuente primaria conectada ai eje de rotor dei generador. Típicamente, la salida eléctrica del generador es provista sensible a la excitación de una bobina de campo en el generador; la bobina de campo en si misma y ia electrónica de excitación de campo separado son ambos costosos y no deseables. Además, el uso de bobinas de campo excitadas frecuentemente causará que ei generador opere en una eficiencia reducida. Esto no es deseable normalmente, y es especialmente así cuando la combinación de la fuente primaria y el generador eléctrico es contenida en un vehículo eléctrico, en donde las ruedas son accionadas por un motor recibiendo energía provista directa o indirectamente dei generador; ei aumento al máximo de la eficiencia no solo mejorará el consumo de combustible, sino que también puede resultar en la reducción al mínimo de la contaminación y otras características no deseables. Por lo tanto es deseable proveer un generador de imán permanente, desprovisto de la bobina de campo y medios de excitación de campo, que son accionados, con una máxima eficiencia, directamente por ia fuente primaria.

BREVE DESCRIPCIÓN DÉ LÁ INVENCIÓN De acuerdo con la invención, una fuente primaria tiene un eje motor de salida, cuya rotación a una velocidad ? determina una función de energía de salida teniendo en cada valor de ? una salida-e?éfgíá/pendiente ? Md, y está acoplada a un generador para el desarrollo de energía eléctrica sensible a la rotación de ese eje motor, entonces una impedancia eléctrica de generador es seleccionada para tener un generador salida-energía/pendiente ? Mg, para aproximarse a la pendiente d, para facilitar el aumento al máximo de la eficiencia. En una modalidad actualmente preferida, la pendiente del generador se encuentra dentro de un factor de dos de la pendiente de ¡a fuente primaria. Al ser usada en un vehículo eléctrico híbrido teniendo un motor diesel de fuente primaria con una pendiente de curva operativa Mg en el orden de 0.15 hp/rev. , la impedancia eléctrica de generador Z es seleccionada para dar una pendiente de curva operativa Mg de entre alrededor de 0.075 hp/rev. y alrededor de 0.3 hp/rev. De acuerdo con esto, es un objeto de la presente invención proveer un generador eléctrico accionado a motor que tiene una impedancia seleccionada para adaptar las características operativas del generador a aquellas del motor accionador y de esta manera aumentar al máximo la eficiencia. Este y otros objetos de la presente invención se volverán evidentes para aquellos con experiencia en la técnica ante la consideración de la siguiente descripción detallada, cuando sea leído en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales elementos similares son designados con similares designaciones de referencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama en bloque esquemático de un generador accionado a motor y de una carga típica en el mismo, como puede encontrarse en un vehículo eléctrico híbrido y similares; La Figura 2 es un grupo de gráficas coordinadas que ilustran el voltaje y corriente provistos por el generador de impedancia adaptada accionado a motor de la presente invención; La Figura 3 es el circuito equivalente de Thevenin del nuevo generador adaptado de la presente invención; La Figura 4 es una gráfica que ¡lustra: las curvas de energía neta y máxima de un motor diesel particular; la curva operativa de un generador no adaptado del arte previo: y un grupo de curvas operativas para un nuevo generador adaptado de acuerdo con la presente invención; y La Figura 5 es una gráfica que ¡lustra un grupo de curvas operativas de voltaje-corriente, y una curva de carga-energía constante para un escenario operacional particular, ilustrando la manera en la cual la eficiencia del generador de fuente primaria es aumentada al máximo de acuerdo con los principios de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA Refiriéndonos inicialmente a la figura 1 , un sistema 10, tal como el sistema motor para un vehículo eléctrico híbrido y similares, utiliza un motor 1 1 como fuente primaria. Una fuente de combustible 12 es conectada a una entrada de combustible 1 1 a del motor, cuyo combustible es quemado en el motor para causar que un eje motor 1 1 s gire a una velocidad de rotación, o frecuencia, ?. La velocidad de rotación ? del eje motor 1 1 s es fijada sensible a las señales provistas en una entrada de control de motor 1 1 b desde una salida 14b de medios de controlados motor/carga 14. Los medios 14 tienen al menos un puerto de entrada/salida 14a conectado para recibir y transmitir señales eléctricas sobre un enlace de cableado eléctrico 16 hacia y desde medios de carga de generador 18, que pueden contener sensores, interruptores y transductores similares y/o efectores acoplados a por lo menos un medio de efector terminal, tal como el motor de impulsión de rueda en un vehículo eléctrico híbrido y similares. El eje motor 1 1 s está directamente conectado a un eje de rotor 20s de un medio de generador 20 para producir una salida de voltaje CA Vg entre las terminales de salida del generador 20a y 20b , para la conexión a la carga 18. Generalmente, el generador 20, hasta ahora, ha sido del tipo del campo excitado, que tiene una bobina de campo 20f (mostrado en línea de sombras) dentro del generador y conectado a una salida de campo de excitación 22f de un medios de excitación de campo 22. Los medios 22 típicamente tendrían entradas 22a/22b conectadas a la salida eléctrica del generador, para monitorear el voltaje AC desde ahí, y también tener un puerto de entrada de control 22c para recibir comandos, otros parámetros captados y señales similares, de modo que pueden utilizarse la totalidad de las señales de entrada, en una manera bien conocida para la técnica de generadores eléctricos, para fijar el voltaje del generador Vg controlando las características de señal de excitación de la bobina de campo 20f. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el generador 20 es un tipo de imán permanente, completamente desprovisto de cualquier bobina de excitación de campo 20f y el sistema 10 está completamente desprovisto de manera similar de cualquier forma de medios de excitación de campo 22, y cualesquiera sensores especiales , activadores y conexiones eléctricas especiales asociados con tal medios de excitación de campos. Una carga de generador 18 ilustrativa, como se puede encontrar en un vehículo eléctrico híbrido y similares, puede incluir un medio de rectificador de onda completa (FWR) 20 para recibir el voltaje AC Vg de las terminales de generador 20a y 20b, para la rectificación en un voltaje V pulsatil-DC que aparece a través de una batería de almacenamiento 26. Un medio de interruptor controlado 28 es conectado en serie con una carga variable 30, tal como un motor eléctrico CD y similares, a través de medios de batería 26. La serie de combinación de medios 28 y los medios 30 es, de esta forma, conectados en paralelo con los medios de batería 26, y a través de la salida de los medios FWR 24. El potencial eléctrico en la entrada de los medios de control de interruptor 28a es selectivamente acoplado a su salida 28b ( y por lo tanto a la carga 30) sensible al estado de una señal de control en una entrada 28c, cuya señal es típicamente provista a través de un enlace 16 y similares. Refiriéndonos ahora a la figura 2, el voltaje de generador Vg es siempre un voltaje AC bipolar 20w de algún valor pico (que tendrá un valor máximo de Voc, el voltaje de circuito abierto de generador, y típicamente será de una magnitud menor, debido a la caída de voltaje causada por el flujo de corriente del generador a través a una impedancia en serie del generador Z). En la salida de voltaje V de los medios 24, los medios ciclos de polaridad negativa 20n (mostrados en línea discontinua) son invertidos por el proceso de rectificación de onda completa; el voltaje unipolar V tiene lóbulos de polaridad-positiva solo 20p. La corriente I' no fluye cuando los diodos de rectificador de los medios 24 son polarizados inversamente, lo cual ocurre siempre que la magnitud instantánea del voltaje V es menor que el voltaje Vb de los medios de batería 26 conectados a través de la salida de los medios FWR. Sin embargo, tan pronto como el voltaje V instantáneamente es de un valor mayor que el voltaje de batería V , diodos de medios FWR 24 se tornan polarizados hacia delante y los pulsos 32 del flujo de corriente I', como se muestra en la forma de onda inferior en la figura 2, a alguno valor pico lp. Si el medio de interruptor 28 no es conductivo, toda la corriente I' carga y recarga la batería 26; si el medio de interruptor 28 es conductivo, la corriente fluye desde cada uno o desde ambos medios 24 o la batería 26, a través del medio 28 y hacia la carga eléctrica 30. Los medios de generador de imán permanente (PMG) 20 tienen un circuito equivalente Thevenin como se muestra en la figura 3, con una fuente sinusoidal 20y que tiene un valor Voc (que es una función de la velocidad de rotación ? del eje de entrada del generador 20s) en series, entre las terminales del generador 20a y 20b con una impedancia de generador 20z que consiste en una resistencia en serie 20r y una reactancia en serie 20x. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el valor Z de la impedancia de generador 20z es seleccionado para establecer una pendiente de operación particular Mg, que es definida como el cambio de energía P (en caballos de fuerza) con respecto a la velocidad de motor S (en revoluciones por minuto), y de manera deseable adapta la pendiente Md de la curva P/S del motor, como se discutirá en detalle en adelante. La pendiente Mg puede establecerse mediante manipulación de la magnitud de componente resistivo R y/o la magnitud de componente reactivo X. Refiriéndonos ahora a la figura 4, el gráfico 40 tiene la velocidad rotacional S del motor 1 1 , en revoluciones por minuto (rpm), dibujada a lo largo de la abscisa 41 , y la salida de energía del motor P, en caballos de fuerza, dibujada a lo largo de la ordenada 42. Para un motor diesel 1 1 particular, puede obtenerse una energía máxima P-ma? y también, con un acoplamiento conocido entre el motor y su carga de eje motor, una curva de energía neta Ppet 44'. La curva 44' recorre cerca de la curva 44; para este motor particular, la curva de energía contra velocidad 44 tiene una pendiente Md de alrededor (240-60) hp/(2000-800) rpm=0.15hp/rev. El generador 20 tiene una curva operativa 46 que es determinada por su voltaje de salida Vg, el mismo siendo igual, cuando es rectificado, al voltaje de batería Vb; así, el generador tiene una primera curva operativa 46a de energía de salida vs. la velocidad S del eje 20s, para un limite mínimo voltaje de batería (aquí, alrededor de 450 Vdc), y tiene otras curvas operativas 46b, 46c, 46d y 46e, respectivamente, para mayores valores Vb (aquí, de alrededor de 500, 540, 580 y 620 Vdc, respectivamente). De acuerdo con la invención, la impedancia de generador Z es seleccionada para causar una curva operacional de generador 46 para tener una pendiente Mg aproximando la pendiente operativa del motor Md. Típicamente, la pendiente Mg de curva de generador 46 para cualquier velocidad S estará relacionada con la pendiente Md de la curva de motor 44 a la misma velocidad por no más de un factor de dos, por ejemplo, una pendiente de curva operativa de generador mínima Mg,min de aproximadamente Md/2 y una pendiente de curva operativa de generador máxima Md,m.x de aproximadamente 2Md. En forma ilustrativa, para un motor teniendo un Md de 0. 15, la pendiente de curva de generador mínima 46 será de alrededor de 0.075 (como en el extremo superior de la curva 45a) y la pendiente de generador máxima Mg será de alrededor de 0.3 (como en el extremo inferior de la curva 46e). En las combinaciones motor-generador conocidas hasta ahora, la curva operacional de generador tradicional 48 ha tenido una pendiente Moid típica de alrededor de 0.4 caballos de fuerza por revolución. Se apreciará que un par motor-generador adaptado, de acuerdo con la presente invención, tendrá una pendiente de curva operativa menor que la pendiente operativa de un generador tradicional dos o tres veces menor que la pendiente de generador tradicional. Para una combinación particular de un motor diesel de un pico de caballos fuerza de 240 y un generador de imán permanente 20 suministrando energía de salida en picos de voltajes AC entre alrededor de 450 voltios y alrededor de 620 voltios, se apreciará que el generador 20 es seleccionado no solo para una adaptación de impedancia a la fuente primaria, sino también para causar que el generador substancialmente no provea energía de salida para las velocidades rotacionales por debajo de alrededor de 1 ,000 rpm; energía eléctrica apreciable, que puede ser definida como más de alrededor de 5% energía pico, solo es así provista a velocidades seleccionadas para estar por encima de la región de baja velocidad en donde se encuentran las emisiones más altas y otras características no deseables para el motor particular usado. De acuerdo con otro aspecto de la invención, el tener un inicio de energía de salida de generador apreciable en velocidades motoras entre 1 ,000 y 1 ,200 rpm permite emisiones de motor reducidas al mínimo mientras que a su vez no coloca una carga ante el motor diesel 1 1 hasta que el turbo diesel haya aumentado en velocidad de manera suficiente para no reducir la velocidad operativa diesel total; esto también permite que el sistema de inyección de combustible del motor diesel sea ajustado para llevar gradualmente al motor hasta alrededor de 1 ,200 rpm previo al incremento del flujo de combustible para que cumpla con los requerimientos de torsión del extremo inferior y así también reducir emisiones gaseosas y de partículas del motor 1 1 . Refiriéndonos finalmente a la figura 5, una gráfica 50 tiene una corriente de carga l dibujada a lo largo de la abscisa 51 y voltaje de carga VL dibujado a lo largo de la ordenada 52. La carga (motor 30) es una carga de energía constante teniendo una curva V-l 53 mostrado en una línea de guiones. Esta curva es la energía distribuida al motor de carga y es el producto de un voltaje operativo, aproximadamente igual al voltaje de generador Vg, multiplicado por y la corriente operativa, en cualquier punto sobre la curva 53. En una velocidad establecida, el generador 20 operará a lo largo de una curva de energía de generador produciendo una energía determinada por el punto de voltaje del sistema de batería Vb. Con propósitos de ilustración, asumamos una primera curva de energía de generador de velocidad operativa dada por la curva de línea completa 55. Esta curva será para una velocidad mayor que (es decir, de por ejemplo 2,000 rpm) que la velocidad media (es decir 1 ,800 rpm) de una segunda curva 56, la cual será aún mayor que la velocidad menor de una tercera curva operativa 57 (es decir a 1 ,600 rpm). Si la demanda de energía del generador es significativamente menor que la capacidad del generador en la velocidad dada, es decir 2,000 rpm a lo largo de la curva 55, la corriente I disminuirá naturalmente causando que el sistema opere en un punto menos eficiente. En la curva 55, la máxima eficiencia es obtenida en un punto 55a, con un aumento en las perdidas del rotor ocurriendo en la dirección de la flecha A y un aumento en las perdidas l2R ocurriendo en la dirección de la flecha B. Los únicos puntos operativos posibles se encuentran en donde se cruzan las curvas 53 y 55, en los puntos 55p y 55p'; el voltaje de generador relativamente alto normalmente dictará operación en el punto 55p, con mucho menos que la eficiencia máxima para aquella curva de generador 55. El controlador 14 reconoce la operación en el voltaje V0,? , y la corriente l*_,? , bien separada del punto 55a, y fija la velocidad del motor diesel 1 1 , por ejemplo, disminuyendo la velocidad, para aumentar la eficiencia del generador. Un poco después, la velocidad del generador ha disminuido hasta que el generador 20 se encuentre operando a lo largo de la curva de generador 56. El punto operativo exacto será el punto 56p, en donde las curvas 53 y 56 se intersectan . El punto operativo 56p se encuentra aun bastante apartado del punto operativo de máxima eficiencia 56a del generador en esta nueva velocidad. De acuerdo con esto, el medio de controlador 14 continua reduciendo la velocidad del motor hasta que se alcanza una velocidad produciendo la curva 57, en donde el generador se encuentra operando en el 57p, muy cerca al punto de eficiencia operativa máxima 57a. Se ha encontrado que puede obtenerse una mínima eficiencia de alrededor de 94% adaptando la impedancia de generador Z al motor rotando el eje del generador, contrariamente a un típico 85% de eficiencia de los generadores teniendo curvas operativas tales como la curva 48. Mientras que la presente invención ha sido descrita con respecto a una modalidad actualmente preferida de la misma, muchas variaciones y modificaciones se volverán evidentes para aquellos con experiencia en la técnica. Es la intención, por lo tanto, limitarla solo al alcance de las reivindicaciones siguientes, y no mediante los detalles e instrumentaciones aquí presentadas a modo de descripción.

Claims (20)

1. REIVINDICACIONES 1 . Aparato para generar energía eléctrica, que comprende: medios de fuente primaria teniendo un eje motor que rota a una velocidad ? determinando una función de energía de salida que tiene en cada valor de ? una pendiente energía-salida/© Md; y medios de generador para proveer energía eléctrica sensibles a la rotación de dicho eje y con una impedancia seleccionada para causar una pendiente de generador energía-salida/? Mg para aproximar dicha pendiente Md.
2. 2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además medios para controlar la velocidad de la rotación motora para aumentar al máximo la eficiencia del aparato.
3. 3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la impedancia del generador provee una pendiente de curva operativa Mg no mayor que alrededor que alrededor de dos veces de la pendiente Md.
4. 4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la Impedancia del generador provee una pendiente de curva operativa Mg no menor que alrededor de una mitad de la pendiente Md.
5. 5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dicho medio de generador provee una salida de menor energía, menos de alrededor de 10% de una salida de energía máxima de generador, para una velocidad rotacional & menos de alrededor de 1500 rpm.
6. 6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en donde no se provee una salida de energía de generador para una velocidad rotacional o menor que alrededor 1000 rpm.
7. 7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dicho medio de fuente primaria es un motor quemador de combustible de hidrocarburo.
8. 8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en donde dicho motor es un motor turbo-diesel en un vehículo eléctrico híbrido.
9. 9. Un método para generar energía eléctrica, que comprende los pasos de: (a) proveer una fuente primaria teniendo un eje motor que rota a una velocidad ? determinando una función de energía de salida que tiene en cada valor de ? una pendiente energía-salida/© Md¡ (b) proveer un generador que desarrolla energía eléctrica sensible a la rotación del eje motor; y (c) seleccionar una impedancia de generador para tener una pendiente de generador energía-salida/? Mg para aproximar la pendiente Md.
10. 10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la pendiente Mg se encuentra dentro de un factor de alrededor de dos de la pendiente Md.
11. 1 1. El método de acuerdo con la reivindicación 9, que incluye además el paso de variar la velocidad ? de la fuente primaria para aumentar al máximo la eficiencia del generador.
12. 12. El método de acuerdo con la reivindicación 9, que incluye además el paso de operar el generador sin un campo de excitación.
13. 13. El método de acuerdo con la reivindicación 9, que incluye además el paso de seleccionar también el generador para proveer una salida eléctrica apreciable solo por encima del valor ? mínimo preseleccionado.
14. 14. Un método para generar energía eléctrica en un vehículo eléctrico híbrido, que comprende los pasos de: (a) proveer una fuente primaria que tiene un eje motor que rota a una velocidad ? determinando una función de energía de salida que tiene en cada valor de ? una pendiente energía-salida/? M ; (b) proveer un generador que desarrolla energía eléctrica sensible a la rotación del eje motor; y (c) seleccionar una impedancia de generador para tener una función de generador energía-salida/? con una pendiente Mg para aproximar la pendiente Md.
15. 15. El método de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la pendiente Mg se encuentra dentro de un factor de alrededor de dos de la pendiente Md.
16. 16. El método de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye además el paso de variar la velocidad © de la fuente primaria para maximizar la eficiencia del generador.
17. 17. El método de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye además el paso de operar el generador sin un campo de excitación.
18. 18. El método de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye además el paso de también seleccionar el generador para proveer una salida eléctrica apreciable solo por encima del valor ? mínimo preseleccionado.
19. 19. El método de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye además los pasos de: seleccionar la fuente primaria para ser un motor diesel; seleccionar el generador para ser un generador CA que tiene un eje de entrada; y conectar directamente el eje de salida del motor al eje de entrada del generador.
20. 20. El método de acuerdo con la reivindicación 19, que incluye además los pasos de: operar el generador sin campo de excitación; variar la velocidad ? de la fuente primaria para aumentar al máximo la eficiencia del generador; y seleccionar el generador para proveer una salida eléctrica apreciable solo por encima del valor ? mínimo preseleccionado.