СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SYSTEM OF GENERATION OF ELECTRIC ENERGY OF THREE-PHASE ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии (СПЭЭ). 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.
сп
Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса синхронного генератора при работе со статическим преобразователем электрической энергии в значительной степени определяется величиной входного коэффициента мощности статического преобразователя (χ), поэтому возникает задача повышения величины данного коэффициента.
Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, состоящая из синхронного генератора и статического преобразователя электрической энергии [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М., 2: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.], содержащая шестифазный синхронный генератор с выводом нулевого провода и электромагнитным возбуждением, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя с двумя уравнительными реакторами, и трех низкочастотных LC фильтров.
Данная система обладает рядом недостатков. Наличие электромагнитного возбуждения синхронного генератора требует введения вращающихся контактов или значительного усложнения конструкции генератора за счет увеличения числа ступеней преобразования электрической энергии, что приводит к уменьшению надежности системы, повышению эксплуатационных расходов и массы. К недостаткам следует отнести также и то, что в составе статического преобразователя имеется шесть уравнительных реакторов. Все они работают на относительно низкой частоте выходного напряжения системы генерирования, поэтому имеют достаточно высокую массу. Кроме этого синхронный генератор выполняется с успокоительными обмотками с целью уменьшения его выходных реактансов, это требуется для обеспечения независимой коммутации тиристоров в разных выходных фазах статического преобразователя. В этом случае коммутация тиристоров получается «жесткой» с резким обрывом коммутируемого тока, поэтому возникает необходимость применения защитных RC цепей (снаберов напряжения) для снятия перенапряжений на тиристорах. При широком диапазоне изменения частоты и величины напряжения синхронного генератора масса их получается значительной. К недостаткам также относится относительно низкое значение входного коэффициента мощности данной схемы статического преобразователя, что приводит к увеличению массы синхронного генератора.
Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока [Грабовецкий Г.В., Куклин О.Г., Харитонов С.А. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. Учеб. Пособие. Новосибирск.: НГТУ, 2009. - 320 с.], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и шестифазной обмоткой на статоре с выводом нулевого провода, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя, в котором последовательно с каждой парой встречно-параллельно соединенных тиристоров включен дроссель, к выходу каждой выходной фазы подключен конденсатор низкочастотного фильтра.
Недостатком данной системы является низкое значение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии и, как следствие, увеличенная масса синхронного генератора.
Задача изобретения - снижение массы синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.
Поставленная задача достигается тем. что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока обмотки статора синхронного генератора без вывода пулевого провода, в статический преобразователь электрической энергии вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранная по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя, в котором последовательно с каждой парой встречно-параллельно соединенных тиристоров включен дроссель, второй вывод которого соединен с одной из фаз синхронного генератора, выход данной фазы непосредственною преобразователя частоты соединен с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.
Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.1.
Система генерирования включает шестифазный синхронный генератор без вывода нулевого провода (1), статический преобразователь электрической энергии (2) и низкочастотный фильтр (3).
Шесть выводов синхронного генератора соединены с шестью одноименными входами статического преобразователя. Статический преобразователь содержит четыре одинаковых по топологии вентильных комплекта (4, 5, 6, 7), шесть входов каждого из вентильных комплектов соединены с шестью одноименными выходами синхронного генератора соответственно. Выходы вентильных комплектов (4, 5, 6, 7) соединены с входами низкочастотного фильтра (3). Каждый из вентильных комплектов включает шесть встречно-параллельно включенных тиристоров (8, 9, 10, 11, 12, 13), или шесть симметричных тиристоров (симисторов), один из выводов каждого из них соединен с одним выводом дросселя фильтра (14, 15, 16, 17, 18, 19), вторые выводы шести встречно-параллельно включенных тиристоров одного вентильного комплекта соединены между собой и подключены к соответствующему входу фильтра низкой частоты (3). Второй вывод каждого из дросселей фильтра (14, 15, 16, 17, 18, 19) соединен с одним из входов вентильного комплекта. Одноименные входы вентильных комплектов (4, 5, 6, 7) соединены между собой и соединены с одноименными входами статического преобразователя (2). Низкочастотный фильтр (3) включает три конденсатора (20, 21, 22), один из выводов каждого из них соединен с нагрузкой и выходом вентильных комплектов (4, 5, 6), вторые выводы конденсаторов объединены между собой и соединены с выходом вентильного комплекта (7) и нулевым проводом нагрузки (N).
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
В соответствии с ГОСТ 19880-74 коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности, пренебрегая активными потерями в статическом преобразователе электрической энергии и полагая, что нагрузка симметрична, выражение для входного коэффициента мощности СПЭЭ примет вид
<mrow><msub><mi>χ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>с</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><msub><mi>E</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mi>cos</mi><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>6</mn></munderover><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mtext>                                                                     (1)</mtext></mrow>
н(1)
н(1)
где E, I - действующее значение основных гармоник фазного напряжения и тока в нагрузке;
н(1)
ϕ - фазовый сдвиг между током и напряжением нагрузки;
1i
1i
E, I - действующие значения фазных напряжений и токов синхронного генератора.
Напряжения на нагрузке в соответствии с фиг.1 будут определяться с помощью следующих соотношений:
нj
ноj
oo4
u=u+u, j=1, 2, 3
но1
но2
но3
оо4
1
2
3
4
где u, u, u, u - выходные напряжения комплектов ВК, ВК и ВК и ВК относительно точки «0», которая представляет собой точку объединения фазных обмоток синхронного генератора.
1
2
3
midl1,2,3
2
Математически характер изменения углов управления для трех вентильных комплектов ВК, ВК и ВК обозначим следующим образом α (ωt и определим его в виде соотношения
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>d</mi><mi>l</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mtext>                              (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>{</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>M</mi><mtext> </mtext><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
1
2
3
где
- закон изменения углов управления вентильных комплектов ВК, ВК и ВК при синусоидальном законе управления;
midl
2
1
2
2
2
3
2
Δα(ϑ)=Midl{α(ϑ), α(ϑ), α(ϑ)} - комбинированная добавка, характер изменения во времени иллюстрируется фиг.2;
M - глубина модуляции углов управления.
sin1
2
midl1
2
midl j
2
sin j
2
2
1
2
3
4
оо4
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mrow><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,155</mn><mtext> </mtext><mtext>раза</mtext></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>d</mi><mi>l</mi><mtext> </mtext></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Характер изменения во времени углов управления α(ωt) и α(ωt) показан на фиг.3. Такой способ формирования углов управления α(ωt)  позволяет расширить линейный диапазон изменения углов управления α(ωt) в
[Берестов В.М., Харитонов С.А. Анализ синусоидальной ШИМ с натуральной выборкой (методический аспект). Технiчна електродинамiка. Тематический выпуск. Силова електронiка та енергоефективнiсть. Частина 2. Киiв, 2002. - с.31-37]. Однако, как следует из фиг.2, в комбинированной добавке
присутствуют гармоники с частотами (6k-3)ω, где k=1, 2, 3…, которые приведут к появлению аналогичных составляющих в выходных напряжениях вентильных комплектов ВК, ВК и ВК. Учитывая, что эти гармоники образуют в выходных напряжениях нулевую последовательность, они могут быть компенсированы путем добавления вентильного комплекта (ВК) в нулевой провод нагрузки, как это показано на фиг.1, который генерирует напряжение u, при этом закон управления для этого комплекта выбирается в виде
<mrow><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>d</mi><mi>l</mi><mtext> </mtext></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>ℑ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>)</mo></mrow><mtext>                              (3)</mtext></mrow>
<mrow><mi>ℑ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>ℑ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0.13528</mn><mo>⋅</mo><mi>M</mi></mrow>
1
2
3
2
2
sin j
2
где
- функция, которая учитывает изменение коэффициента передачи вентильных комплектов BК, ВК и ВК по гармонике с частотой (6k-3)ω в зависимости от глубины модуляции М. Так например, в случае линейной компенсации влияния глубины модуляции
. При таком управлении гармоники порядка (6k-3)ω в нагрузке отсутствуют, но происходит увеличение основной гармоники напряжений на нагрузке по отношению к аналогичным напряжениям в системе прототипа, где изменение углов управления осуществляется в соответствии с соотношением α(ωt).
Проведенный анализ показывает, что действующие значения основных гармоник напряжения на нагрузке можно оценить с помощью соотношений:
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>S</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1.17</mn><mo>⋅</mo><mn>2</mn><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
- для СПЭЭ прототипа;
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>D</mi><mi>L</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1.17</mn><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>J</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>J</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mfrac><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
- для СПЭЭ предлагаемой системы.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>D</mi><mi>L</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>н</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>S</mi><mi>I</mi><mi>N</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
сг
сг
На фиг.4 показано как изменяется отношение
в функции глубины модуляции (M), откуда следует, что в предложенной системе действующее значение основной гармоники напряжения на нагрузке увеличивается на 8.5÷14.5%. В соответствии с соотношением (1) настолько же процентов происходит увеличение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии (χ), и на 7.8÷12.7% уменьшается установленная мощность (S) и масса синхронного генератора.
4
ф
Снижение массы синхронного генератора является весьма важным фактором, т.к. СГ консольно подключен к маршевому авиационному двигателю. Введение дополнительного вентильного комплекта ВК незначительно увеличит массу системы генерирования, т.к. при симметричной нагрузке ток основной гармоники будет равен нулю, а высокочастотные токи будут значительно подавлены с помощью дросселей L.
Таким образом, предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, имеет меньшую массу синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.