БЕСЩЕТОЧНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ БЛОКОМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУДИТЕЛЕМ

Область техники
[1] Полезная модель относится к бесщеточным синхронным генераторам, главным образом предназначенным для использования на летательных аппаратах.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2] Традиционный бесщеточный синхронный генератор (далее - бесщеточный генератор), предназначенный для использования на летательном аппарате совместно с газотурбинным двигателем, содержит три последовательно соединенных друг с другом синхронных генератора, а именно: подвозбудитель, возбудитель и основную генерирующую машину. Индуктор подвозбудителя, якорь возбудителя и индуктор основной генерирующей машины закреплены на приводном валу бесщеточного генератора, и соответственно, являются роторами. Одновременно с этим, в качестве статоров выступают якорь подвозбудителя, индуктор возбудителя и якорь основной генерирующей машины, которые расположены на корпусе бесщеточного генератора.
[3] Индуктор подвозбудителя содержит постоянные магниты, поэтому для создания ЭДС в обмотке якоря подвозбудителя достаточно самого факта вращения приводного вала, что обеспечивает автономность работы подвозбудителя и бесщеточного генератора в целом. Закрепленный на корпусе первичный выпрямитель преобразует переменный ток, протекающий в обмотке якоря подвозбудителя, в постоянный ток, который подается на обмотку индуктора возбудителя, в результате чего в обмотке якоря возбудителя также индуцируется переменная ЭДС и протекает переменный ток.
[4] Обмотка якоря возбудителя, в свою очередь, соединена с обмоткой индуктора основной генерирующей машины через основной выпрямитель, поэтому в обмотке индуктора основной генерирующей машины протекает постоянный ток. Индуцируемая в обмотке якоря основной генерирующей машины переменная ЭДС создает на концах данной обмотки переменное напряжение, которое является выходным напряжением бесщеточного генератора, и которое поступает в бортовую электрическую сеть летательного аппарата (далее - бортовая сеть). Следует отметить, что основной выпрямитель расположен на приводному валу, что позволяет избежать использования щеток для передачи электрического тока на основной выпрямитель и от него, или другими словами, реализовать концепцию бесщеточного генератора.
[5] Специфика эксплуатации на летательном аппарате накладывает на бесщеточный генератор требование по стабилизации напряжения в бортовой сети, что осложняется широкими диапазонами изменения как частоты вращения приводного вала, так и мощности, потребляемой бортовой сетью (далее - нагрузка). Традиционно данная проблема решается посредством соответствующего регулирования напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя, для чего между первичным выпрямителем и обмоткой индуктора возбудителя включают блок управления возбудителем. Данная мера позволяет поддерживать выходное напряжение на заданной величине при таком изменении нагрузки, которое соответствует нормальному режиму эксплуатации бесщеточного генератора, т.е. при подключении к бортовой сети или отключении от нее отдельных потребителей, не оказывающих существенного влияния на нагрузку.
[6] Однако в экстренном случае, когда нагрузка временно значительно снижается или отключается совсем, уменьшение величины напряжения в обмотке индуктора возбудителя не способно быстро уменьшить выходное напряжение бесщеточного генератора в силу присущей данному процессу инерционности, связанной с магнитными свойствами сердечников и т.п. В то же время при таком падении нагрузки напряжение в бортовой сети резко возрастает, что может привести к выходу из строя потребителей, сохраняющих свое подключение к бортовой сети, а также и самого бесщеточного генератора. Таким образом, для безопасного использования бесщеточного генератора на летательном аппарате необходимо обеспечить решение проблемы по ускоренному уменьшению выходного напряжения в случае значительного снижения нагрузки в бортовой сети.
[7] Патентная публикация KR101708023B1, 17.02.2017 раскрывает бесщеточный синхронный генератор, в котором на приводном валу размещены транзистор и резистор, включенные параллельно друг другу в цепь между основным выпрямителем и обмоткой индуктора основной генерирующей машины. В своем открытом состоянии транзистор обеспечивает короткое соединение основного выпрямителя с обмоткой индуктора основной генерирующей машины, что позволяет бесщеточному генератору функционировать в нормальном режиме, как было описано выше. При повышении выходного напряжения до заранее определенной пороговой величины транзистор закрывается, в результате чего ток от основного выпрямителя течет к обмотке индуктора основной генерирующей машины через резистор, вызывая соответствующее снижение напряжения на концах обмоток индуктора и якоря основной генерирующей машины. Сигнал на закрытие транзистора формируется блоком управления, расположенном на неподвижном корпусе, и передается к вращающемуся приводному валу посредством светового луча, что позволяет закрывать транзистор практически мгновенно, а значит, значительно ускорять процесс уменьшения выходного напряжения.
[8] Тем не менее, данному бесщеточному генератору, являющемуся прототипом полезной модели, свойственны существенные недостатки. Включение во вращающуюся электрическую цепь новых элементов (резистора и транзистора) с закреплением их на приводном валу требует, во-первых, прокладки управляющего кабеля по всей длине приводного вала, а во-вторых, размещения на приводном валу уравновешивающих весов для обеспечения его центровки. Данные меры существенно усложняют конструкцию и увеличивают вес бесщеточного генератора.
[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в упрощении конструкции и уменьшении веса бесщеточного генератора, способного быстро уменьшать выходное напряжение.
Сущность полезной модели
[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен генератор электрического тока, содержащий основную генерирующую машину, возбудитель и блок управления возбудителем. Якорь основной генерирующей машины и индуктор возбудителя закреплены на корпусе генератора, а индуктор основной генерирующей машины и якорь возбудителя закреплены на валу генератора. Обмотка индуктора возбудителя включена в мостовую схему, образованную четырьмя транзисторами и соединенную с источником постоянного напряжения, а блок управления возбудителем выполнен с возможностью такого управления упомянутыми транзисторами, которое позволяет изменять величину напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя и его полярность. Блок управления возбудителем при этом способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы напряжение на концах обмотки якоря основной генерирующей машины стремилось к заданному напряжению. Кроме того, когда разность между напряжением на концах обмотки якоря основной генерирующей машины и заданным напряжением достигает установленной пороговой величины, блок управления возбудителем способен изменять полярность напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя на противоположную.
[11] Технический результат полезной модели состоит в том, что остаточная намагниченность сердечников индуктора и якоря возбудителя, которая прежде являлась причиной инерционности изменения ЭДС в обмотке якоря возбудителя, при смене полярности напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя быстро нейтрализуется. Благодаря этому в случае падения нагрузки напряжение на концах обмотки якоря возбудителя, а вместе с ним и выходное напряжение бесщеточного генератора могут быть снижены за меньшее время. Ввиду того, что данный технический результат достигается без введения дополнительного управления во вращающуюся электрическую цепь, конструкция бесщеточного генератора относительно прототипа значительно упрощается.
[12] Причинно-следственная связь между признаками полезной модели и техническим результатом заключается в следующем. Смена полярности напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя изменяет направление течения электрического тока в указанной обмотке на противоположное. Одновременно с этим аналогичное изменение претерпевает и воспроизводимый индуктором возбудителя магнитный поток, что является причиной ускоренной нейтрализации остаточной намагниченности сердечников индуктора и якоря возбудителя. Следует отметить, что поскольку в обмотке якоря возбудителя индуцируется переменная ЭДС, то изменение направления тока в обмотке индуктора возбудителя никак не влияет на параметры тока в обмотке якоря возбудителя.
[13] В частном случае полезной модели источником постоянного напряжения является подвозбудитель в паре с выпрямителем, причем индуктор подвозбудителя, содержащий постоянный магнит, закреплен на валу генератора, а якорь подвозбудителя закреплен на корпусе генератора. В данном исполнении бесщеточный генератор является полностью автономным, что позволяет использовать его на летательном аппарате. Здесь обратим внимание, что в контексте настоящего изложения понятие «постоянное напряжение» включает в себя также и выпрямленное напряжение, характеризующееся неизменной полярностью, но некоторой амплитудой изменения величины.
Краткое описание чертежей
[14] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг. 1 - схематическое изображение бесщеточного генератора, выполненного согласно полезной модели;
фиг. 2 - функциональная блок-схема модуля возбуждения.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов бесщеточного генератора и их причинно-следственную связь с техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[15] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[16] Бесщеточный генератор 1 (фиг. 1) содержит корпус 10, в первом и втором торцевых щитах 11 и 12 которого установлены соответственно первый и второй подшипники 21 и 22, удерживающие приводной вал 20 с возможностью его вращения. Первый торцевой щит 11 снабжен фланцевым участком (не показан), предназначенным для вхождения в контакт с опорным элементом летательного аппарата, что позволяет осуществить консольное закрепление бесщеточного генератора 1 на летательном аппарате. На свободном конце приводного вала 20, расположенном со стороны первого подшипника 21, выполнена приводная шестерня 23, которая предназначена для вхождения в зацепление с шестерней редуктора, передающего крутящий момент от двигателя летательного аппарата на приводной вал 20.
[17] Бесщеточный генератор 1 включает в себя три синхронных генератора: основную генерирующую машину 40, возбудитель 50 и подвозбудитель 60. Индуктор 41 основной генерирующей машины, якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя закреплены на приводном валу 20 и являются роторами в своих генераторах 40, 50, 60 соответственно. Одновременно с этим в качестве статоров генераторов 40, 50, 60 выступают соответственно якорь 42 основной генерирующей машины, индуктор 51 возбудителя и якорь 62 подвозбудителя, которые закреплены на корпусе 10.
[18] Индуктор 61 подвозбудителя снабжен тангенциально намагниченными постоянными магнитами 63, которые размещены в теле сердечника, выполненного, как и другие сердечники генераторов 40, 50, 60, в виде пакета листов из электротехнической стали. Якорь 62 подвозбудителя имеет трехфазную обмотку 64, на концах которой при вращении индуктора 61 возникает трехфазное переменное напряжение. Обмотка 64 соединена с однофазной обмоткой 53 индуктора 51 возбудителя через модуль 70 возбуждения.
[19] Модуль 70 возбуждения предназначен для выпрямления переменного трехфазного напряжения, выдаваемого обмоткой 64, и изменения полученного постоянного напряжения до целевого постоянного напряжения, величина которого определяется согласно сигналу 79 обратной связи. Поскольку модуль 70 возбуждения соединен с неподвижными обмотками 64 и 53, то он может быть закреплен, например, на корпусе 10 или может быть вынесен за пределы бесщеточного генератора 1.
[20] Якорь 52 возбудителя имеет трехфазную обмотку 54, на концах которой при вращении якоря 52 возникает трехфазное переменное напряжение. Обмотка 54 соединена с однофазной обмоткой 43 индуктора 41 основной генерирующей машины через основной выпрямитель 30, который будучи закрепленным на приводном валу 20, вращается вместе с обмотками 54, 43 и обеспечивает подачу на концы обмотки 43 постоянного напряжения. Постоянный ток, протекающий во вращающейся обмотке 43, создает магнитное поле, под действием которого на концах трехфазной обмотки 44 якоря 42 основной генерирующей машины возникает трехфазное переменное напряжение, являющееся выходным напряжением 49 бесщеточного генератора 1.
[21] Следует отметить, что трехфазная обмотка 44, также как упомянутые выше трехфазные обмотки 64 и 54, имеет соединение по типу «звезда», и под трехфазным переменным напряжением понимается совокупность напряжений между каждой отдельной фазой и нейтральным проводом (далее - фазное напряжение). В частности, величина выходного напряжения 49 в контексте настоящего изложения приравнивается к максимальному фазному напряжению обмотки 44.
[22] Как было показано выше, для обеспечения надежного функционирования электрооборудования летательного аппарата и самого бесщеточного генератора 1 является критически важным, чтобы выходное напряжение 49 поддерживалось на заданной величине как во всем диапазоне изменения нагрузки со стороны бортовой сети, так и во всем диапазоне изменения частоты вращения приводного вала 20. Поскольку выходное напряжение 49 зависит также от величины напряжения на концах обмотки 54, то посредством соответствующего регулирования постоянного напряжения, подаваемого на концы обмотки 53, можно компенсировать влияние как со стороны нагрузки, так и со стороны источника крутящего момента с тем, чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения 49.
[23] Модуль 70 возбуждения содержит выпрямитель 71, мостовую схему 80 и блок 72 управления возбудителем. Обратим внимание на то, что в контексте настоящего изложения такие понятия как «модуль 70 возбуждения», «блок управления 72 возбудителем» и т.п. отражают прежде всего описанное здесь функциональное содержание обозначаемых ими блоков, при этом техническая реализация этих блоков является очевидной для специалиста в данной области техники и может иметь различную конфигурацию. Например, каждый из указанных блоков может быть выполнен в виде отдельного физически обособленного устройства или может быть выполнен без физического обособления в составе более сложного устройства. Одновременно с этим возможно исполнение, когда компоненты какого-либо из указанных блоков могут быть распределены по разным устройствам.
[24] Выпрямитель 71 представляет собой известную специалисту в данной области техники трехфазную мостовую схему, дополненную сглаживающим емкостным фильтром. Тем не менее, выпрямитель 71 может иметь любую другую конфигурацию, подходящую для использования в модуле 70 возбуждения.
[25] С учетом сделанного выше допущения, что выпрямленное напряжение приравнивается к постоянному напряжению, в бесщеточном генераторе 1 подвозбудитель 60 в паре с выпрямителем 71 рассматриваются в качестве источника постоянного напряжения. Следует, однако, отметить, что в отдельных исполнениях бесщеточный генератор 1 может не содержать подвозбудителя 60 и выпрямителя 71, и тогда в качестве источника постоянного напряжения выступает внешний источник питания.
[26] Мостовая схема 80 образована четырьмя транзисторными ключами 81, 82, 83, 84 (далее - транзисторы), которые в указанном порядке последовательно соединены друг с другом с образованием замкнутого контура, причем одна диагональ данного контура подключена к выпрямителю 71, а другая - к обмотке 53. Обмотка 53 может быть соединена с выпрямителем 71 либо через пару транзисторов 81 и 83, либо через пару транзисторов 82 и 84. Транзисторы неработающей пары остаются закрытыми, т.е. не проводящими электрический ток. В работающей паре один транзистор находится в открытом состоянии, а другой способен чередовать свои открытое и закрытое состояния, что позволяет соответственно замыкать и размыкать электрическую цепь между обмоткой 53 и выпрямителем 71.
[27] Блок 72 управления возбудителем способен получать сигнал 79 обратной связи, содержащий информацию о текущих, а опционально и о прогнозируемых значениях выходного напряжения 49 и частоты вращения приводного вала 20. На основе сигнала 79 обратной связи блок 72 управления возбудителем способен рассчитывать целевое постоянное напряжение, которое должно быть подано на обмотку 53 для того, чтобы выходное напряжение 49 стремилось к заданному напряжению. Кроме того, блок 72 управления возбудителем выполнен с возможностью такого управления работающей парой транзисторов мостовой схемы 80, чтобы в результате чередования периодов замыкания и размыкания электрической цепи между обмоткой 53 и выпрямителем 71 усредненное по времени постоянное напряжение на концах обмотки 53 было равно целевому постоянному напряжению. Другими словами, блок 72 управления возбудителем регулирует постоянное напряжение на концах обмотки 53 посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения.
[28] Например, транзисторы 81 и 83 представляют собой транзисторы неработающей пары и потому остаются закрытыми. В этом случае ток от выпрямителя 71 течет через транзистор 82, обмотку 53 и транзистор 84, т.е. в направлении стрелки 2. Если, например, транзистор 82 постоянно находится в открытом состоянии, а транзистор 84 под управлением блока 72 управления возбудителем чередует свои открытое и закрытое состояния, то при определенном соотношении периодов открытого и закрытого состояний транзистора 84 усредненное по времени постоянное напряжение на концах обмотки 53 станет равным целевому постоянному напряжению, а выходное напряжение 49 станет равным заданному напряжению. Следует отметить, что возможны и другие алгоритмы управления транзисторами 82 и 84 для осуществления ШИМ напряжения.
[29] Однако, как было показано выше, при резком и значительном падении нагрузки даже очень быстрая подача на концы обмотки 53 обновленного целевого постоянного напряжения не приводит к такому же быстрому изменению напряжения на концах обмотки 54. Соответственно, выходное напряжение 49 какое-то время будет существенно превышать заданное напряжение, что может привести к описанным выше нежелательным последствиям для подключенного к бортовой сети электрооборудования и самого бесщеточного генератора 1. Причина данной инерционности изменения напряжения на концах обмотки 54 кроется в сравнительно медленном снижении остаточной намагниченности сердечников индуктора 51 и якоря 52 возбудителя.
[30] Тем не менее, когда блок 72 управления возбудителем определяет, что выходное напряжение 49 отклоняется от заданного напряжения на установленную пороговую величину или больше нее, он изменяет полярность постоянного напряжения на концах обмотки 53 на противоположную. Для этого блок 72 управления возбудителем переводит прежде работающую пару транзисторов мостовой схемы 80 в неработающую пару и наоборот. В рассматриваемом примере блок 72 управления возбудителем закрывает транзисторы 82, 84 и отрывает транзисторы 81 и 83. Аналогично описанному выше, блок 72 управления возбудителем поддерживает транзистор 83 в открытом состоянии постоянно, а посредством транзистора 81 осуществляет ШИМ напряжения так, чтобы постоянное напряжение на концах обмотки 53 было равно целевому постоянному напряжению.
[31] В результате этого ток от выпрямителя 71 течет теперь через транзистор 83, обмотку 53 и транзистор 81, т.е. в направлении стрелки 3, которое противоположно прежнему направлению тока, обозначенному стрелкой 2. Изменение направления тока в обмотке 53 на противоположное вызывает такое же изменение направления магнитного потока, охватывающего индуктор 51 и якорь 52, благодаря чему остаточная намагниченность сердечников индуктора 51 и якоря 52 быстро снимается, а приведение выходного напряжения 49 к заданному напряжению существенно ускоряется. В то же время поскольку в обмотке 54 индуцируется переменная ЭДС, то изменение направления тока в обмотке 53 никак не влияет на напряжение на концах обмотки 54.
[32] Следует также отметить, что включенная в модуль 70 возбуждения мостовая схема 80, состоящей из четырех транзисторов, значительно повышает надежность бесщеточного генератора 1, поскольку даже в случае выхода из строя одного транзистора, сохраняется второй рабочий контур управления постоянным напряжением на концах обмотки 53. Данный контур проходит через пару транзисторов, не включающую в себя поврежденный транзистор, благодаря чему предоставляется возможность осуществления полноценной стабилизации выходного напряжения 49 в нормальном режиме эксплуатации бесщеточного генератора 1.
[33] Далее модуль 70 возбуждения может содержать вольтодобавочное устройство (не показано), включенное между выпрямителем 71 и мостовой схемой 80. В случае низкой частоты вращения приводного вала 20 вырабатываемое подвозбудителем 60 напряжение может оказаться слишком малым для надлежащего возбуждения индуктора 41. При таких условиях вольтодобавочное устройство доводит подаваемое на мостовую схему 80 напряжение до величины, минимально достаточной для поддержания выходного напряжения 49 на уровне заданного напряжения. Специалисту в данной области известно множество конфигураций вольтодобавочных устройств, и в бесщеточном генераторе 1 может быть использована любая из них, подходящая для данного случая.