СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована 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.
Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса и габариты силового низкочастотного фильтра в значительной степени влияет на массогабаритные показатели всей системы.
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 достаточно большие масса и габариты трех низкочастотных LC фильтров, что объясняется относительно низким значением частоты пульсаций в выходном напряжении циклоконвертора, повысить которые затруднительно в связи с ограниченными частотными свойствами тиристоров.
Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока [С.А.Харитонов, Д.В.Коробков, А.С., Лучкин В.Ф. Несимметричная нагрузка в системе генерирования электрической энергии переменного тока. Техническая электродинамика, НАН Украины, Киев 2011. Часть 1. С.119-126], которая является прототипом предлагаемой полезной модели, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре, трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединены с выводами синхронного генератора, двух последовательно соединенных конденсаторов звена постоянного тока, подключенных параллельно выходным выводам постоянного тока выпрямителя, общая точка конденсаторов соединена с общей точкой нагрузок системы генерирования, инвертора напряжения, выходные выводы переменного тока которого соединены с входными вводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а входные вводы постоянного тока инвертора напряжения соединены с соответствующими выводами постоянного тока выпрямителя, выходные выводы силового Г-образного низкочастотного LC фильтра соединены с входными вводами нагрузки системы генерирования.
Недостатком данной системы, в случае ее применения на летательных аппаратах, является относительно большое значение емкости конденсатора силового Г-образного низкочастотного LC фильтра. Что объясняется тем, что при «сбросе» 160% процентов мощности нагрузки [ГОСТ Р 54073-2010], накопленная энергия в дросселе низкочастотного LC фильтра передается в конденсатор фильтра, при этом величина всплеска выходного напряжения системы генерирования тем меньше чем больше величина емкости данного конденсатора. Следует отметить, что необходимая величина этой емкости, для обеспечения уровня коэффициента искажений равного 8%, значительно меньше, чем это требуется для обеспечения заданного всплеска выходного напряжения при «сбросе» мощности нагрузки.
Задача полезной модели - снижение массы и габаритов силового Г-образного низкочастотного LC фильтра.
Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока введен второй трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединены с выходными выводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а выходные выводы постоянного тока соединены с однополярными входными вводами инвертора напряжения.
Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.1.
Система генерирования включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре (1), выпрямитель (2), который может быть, как управляемым, так и не управляемым, два конденсатора звена постоянного тока (3, 4), инвертор напряжения (5), трехфазный силовой Г-образный низкочастотный LC фильтр, содержащий дроссели (6, 7, 8) и конденсаторы (9, 10, 11), второй выпрямитель (12).
Три вывода синхронного генератора (1) соединены с тремя входными вводами переменного тока выпрямителя (2), параллельно выходным выводам постоянного тока которого подключены два конденсатора звена постоянного тока (3, 4), соединенные между собой последовательно, их общая точка соединена с общей точкой трехфазной нагрузки системы генерирования (13). Входные вводы инвертора напряжения (5) соединены с однополярными выходными выводами постоянного тока выпрямителя (2). Три выходных вывода переменного тока инвертора напряжения (5) соединены с входными вводами дросселей фильтра (6, 7, 8), выходные выводы которых подключены к нагрузке системы генерирования (13), а также соединены с одними из выводов конденсаторов (9, 10, 11) силового низкочастотного фильтра, вторые выводы которых соединены с общей точкой трехфазной нагрузки системы генерирования (13). У второго трехфазного мостового выпрямителя (12) входные вводы переменного тока соединены с выходными выводами дросселей силового низкочастотного фильтра (6, 7, 8), а выходные выводы постоянного тока соединены с однополярными входными вводами инвертора напряжения (5).
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
ф
Конденсаторы звена постоянного тока (3, 4) имеют существенно большую емкость, чем конденсаторы силового низкочастотного фильтра (9, 10, 11), т.е. C>>C, что объясняется необходимостью подавления с помощью конденсаторов (3, 4) относительно низкочастотных пульсаций в выходном напряжении выпрямителя (2), а также шунтированием выходных зажимов выпрямителя (2) по высокочастотным составляющим входного тока инвертора напряжения (5). При «сбросе» мощности нагрузки напряжение на конденсаторах (9, 10, 11) начинает нарастать, и когда оно становится равным величине , открываются диоды второго трехфазного выпрямителя (12), конденсаторы (3, 4) подключаются параллельно конденсаторам (9, 10, 11), практически происходит ограничение величины выходного напряжения системы на уровне . Данный вывод подтверждается результатами имитационного моделирования в среде PSIM системы генерирования мощностью 150 кВт с величиной выходного напряжения 220 В и . На фиг.2 представлена расчетная осциллограмма трех выходных напряжений и токов системы генерирования при сбросе 160% мощности на 10% мощности нагрузки, видно, что величина всплеска выходного напряжения фиксируется на уровне ±400 В.
Такое техническое решение делает возможным выбирать величину емкости конденсаторов силового низкочастотного фильтра (9, 10, 11) исходя из требований обеспечения заданного уровня коэффициента искажений. Как уже отмечалось, это приведет к значительному уменьшению номинала емкостей и, как следствие, к уменьшению их массы и габаритов. Введение дополнительного выпрямителя (12) не приведет к существенному увеличению массогабаритных показателей системы, т.к. диоды обладают значительной величиной импульсных токов, а тепловой режим выпрямителя не является напряженным в силу того, что диоды работают только при «сбросе» мощности нагрузки на интервале времени не превышающим половины периода выходного напряжения.
Таким образом, предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, имеет меньшую массу силового Г-образного низкочастотного LC фильтра за счет уменьшения величины емкости конденсатора фильтра.