СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ
THREE-PHASE ALTERNATING CURRENT GENERATING SYSTEM WITH VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) трехфазного переменного тока для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статический преобразователь электрической энергии (СПЭЭ) с инвертором напряжения (ИН). Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.
Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса и габариты всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Массогабаритные показатели системы генерирования в значительной степени определяются величиной коэффициента полезного действия (η) отдельных ее элементов, поэтому возникает задача повышения величины данного коэффициента.
Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения [Харитонов С.А. Интегральные параметры и характеристики инверторов напряжения в составе систем генерирования переменного тока типа "переменная скорость - постоянная частота" для ветроэнергетических установок. Научный вестник НГТУ, Новосибирск, 1999. №2 (7). 92-120 С.], содержащая трехфазный синхронный генератор с выводом нулевого провода, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно, и трехфазного мостового инвертора напряжения с тремя низкочастотными LC фильтрами, нулевой провод нагрузки системы соединен с нулевым проводом генератора и средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока.
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
Данная система обладает рядом недостатков. Соединение нулевого провода синхронного генератора с нагрузкой системы генерирования и средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока приводит к увеличению тока генератора примерно в
[Харитонов С.А. Интегральные параметры и характеристики инверторов напряжения в составе систем генерирования переменного тока типа "переменная скорость - постоянная частота" для ветроэнергетических установок. Научный вестник НГТУ, Новосибирск, 1999. №2 (7). 92-120 с.]. Это приводит к повышению электрических потерь в синхронном генераторе и, как следствие, к уменьшению коэффициента полезного действия и к увеличению массы и габаритов системы генерирования. Кроме этого, изменяется режим работы мостового выпрямителя, в результате уменьшается в два раза частота пульсаций и увеличивается в два раза амплитуда пульсаций в токе каждого из конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, что приводит к повышению электрических потерь в данных конденсаторах, т.е. к снижению коэффициента полезного действия системы генерирования и увеличению ее массы и габаритов.
Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения [Харитонов С.А., Коробков Д.В., Хлебников А.С. и др. Некоторые результаты разработки системы электропитания для летательного аппарата. Техническая электродинамика, тематический выпуск «Силовая электроника и энергоэффективность». Киев. Институт электродинамики НАН, 2010 г. T.1. С.88-89], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока (фиг.1).
н0
н0
н max
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>≈</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>н</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow></msub></mrow>
Недостатком данной системы является необходимость установки параллельно конденсаторам фильтра звена постоянного тока относительно низкоомных резисторов R, которые необходимы для уменьшения постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования, возникающей в связи с различием статических и динамических характеристик силовых транзисторов инвертора, а также и в связи с неточностью воспроизведения закона управления силовыми транзисторами инвертора [Грабовецкий Г.В., Коробков Д.В., Харитонов С.А. Особенности работы инвертора напряжения в системе генерирования электрической энергии летательного аппарата. №1 (18), январь-июнь, с.69-79]. В данной работе, в частности, показано, что для подавления постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования с помощью отрицательной обратной связи с интегральным регулятором при условии, что величина постоянной составляющей без обратной связи равнялась 1.6 В, необходимо выполнение условия R<(8÷10)R, где R - сопротивление нагрузки системы генерирования по постоянному току. Учитывая, что напряжение на резисторах R примерно равно
, где U - амплитудное значение напряжения на нагрузке системы генерирования, мощность каждого из резисторов R может составлять (1.6÷2)% от мощности системы генерирования. Таким образом, установка этих резисторов приведет к значительному увеличению электрических потерь в системе генерирования (в данном примере на (3.2÷4)% от мощности системы генерирования), а следовательно, к снижению коэффициента полезного действия и росту массы и габаритов СГЭЭ.
Задача изобретения - снижение массы и габаритов системы генерирования за счет повышения величины коэффициента полезного действия отдельных ее элементов.
Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения, содержащей трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, вводится катушка индуктивности, которая одним выводом подключается к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора.
Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения приведена на фиг.2.
сг
С
Система генерирования включает синхронный генератор (1) с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре (ТО) с выводом нулевого провода (N), статический преобразователь электрической энергии (2) и низкочастотный LC фильтр (3). В состав статического преобразователя (2) входят выпрямитель (4), который может быть как неуправляемым, так и управляемым, в последнем варианте он может быть реализован на любых управляемых силовых ключах; два конденсатора звена постоянного тока (5, 6), включенные последовательно с выводом средней точки N, инвертор напряжения (7). Низкочастотный LC фильтр (3) может быть реализован по любой известной схеме подобных фильтров, на фиг.2 в качестве примера приведена схема Г-образного LC фильтра второго порядка. Следует отметить, что конденсаторы фильтра могут быть включены в треугольник.
С
н
сг
Выводы трехфазной обмотки (ТО) генератора (1) соединены с соответствующими трехфазными вводами (ТВ) статического преобразователя (2), в котором они соединяются с трехфазными вводами выпрямителя (4). Параллельно выводам постоянного тока выпрямителя (4) подключены конденсаторы (5, 6), соединенные между собой последовательно, а их средняя точка N соединена с нулевым проводом N нагрузки системы генерирования (9) и одним из выводов катушки индуктивности (8), второй вывод которой соединен с выводом нулевого провода N синхронного генератора. Вводы постоянного тока инвертора напряжения (7) соединены с выводами постоянного тока выпрямителя (4), три вывода переменного тока инвертора соединены с одноименными вводами низкочастотного LC фильтра, выводы которого подключены к нагрузке системы генерирования (9).
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
0
Индуктивность L катушки индуктивности (8) выбирается из условия:
<mrow><mn>3</mn><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Г</mi><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow></msub><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>></mo><mo>></mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><mn>3</mn><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Г</mi><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow></msub><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
СГ min
где ω - минимальная циклическая частота напряжения синхронного генератора, C - величина емкости конденсаторов (5, 6).
0
СГ min
СГ
С
экв
Выбор величины L в соответствии с соотношением (1) сохраняет «шестипульсный» режим работы выпрямителя, т.к. для токов с частотой 3ω электрическая цепь между точками N и N имеет очень большое сопротивление. При этом по постоянному току эта цепь имеет практически нулевое сопротивление, роль сопротивления R в схеме на фиг.1 будет выполнять выходное сопротивление по постоянному току трехфазной нулевой схемы выпрямления (R), максимальная величина которого согласно [Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Часть III / И.Л.Каганов. - М.: Государственное энергетическое издательство, Москва, 1956. - 528 с., ил.] будет равна:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mn>3</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Г</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
СГ max
d
q
где ω - максимальная циклическая частота напряжения синхронного генератора, L, L - индуктивности СГ по продольной и поперечной осям.
Очевидно, что величина сопротивления будет удовлетворять неравенству
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo><</mo><mo><</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>н</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Г</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>q</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
так как величина
является выходным сопротивлением фазы синхронного генератора, которое должно быть заведомо меньше сопротивления нагрузки.
Таким образом, в предложенной схеме системы генерирования не возникает проблем с отработкой постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования, т.к. выполняется неравенство (3), исключается резистор R, что уменьшает электрические потери в элементах системы генерирования, повышается коэффициент полезного действия и, как следствие, уменьшаются масса и габариты системы.