АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании автономных систем электроснабжения перспективных летательных аппаратов с повышенным электропотреблением, например, так называемых «полностью электрифицированных самолетов» (без гидро- и пневмоприводов).
Известна автономная система электропитания перспективных летательных аппаратов, называемая «система постоянного повышенного напряжения 270 В» (принимаемая в качестве аналога), содержащая электромашинный генератор переменного тока с приводом от авиадвигателя, выпрямитель повышенного напряжения (270 В), трехфазный инвертор переменного тока стабильной частоты (200 В, 400 Гц), понижающий конвертор с постоянными напряжениями 270 В и 28 В и распределительные устройства (шины) постоянного повышенного и низкого напряжения, а также трехфазного переменного тока стабильной частоты (400 Гц). (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под редакцией С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 - Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - 2005 - 568 с., стр.503, рис.14.18в).
К недостаткам указанной автономной системы электропитания (аналога) относятся отсутствие обратимости и взаиморазветвленности (резервирования) направлений потоков электроэнергии, что приводит к низкой энергоэкономичности и низкой надежности, в частности - аварийной живучести системы. Кроме того, в ней отсутствует распределительное устройство переменного тока нестабильной (плавающей) частоты, позволяющее разгрузить инвертор переменного тока стабильной частоты, снизить его массу и габариты и повысить надежность системы.
Известна автономная система электропитания перспективных летательных аппаратов, называемая «система переменного тока нестабильной частоты» (принимаемая в качестве прототипа), содержащая электромашинный генератор переменного тока с приводом от авиадвигателя, управляемые выпрямители повышенного (270 В) и низкого (28 В) напряжения, трехфазный инвертор переменного тока стабильной частоты (200 В, 400 Гц), распределительные устройства переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные устройства постоянного повышенного и низкого напряжения и блок управления, (см. там же, рис.14.18 г). В отличие от предыдущей системы (аналога) в данной системе (прототипе) добавлено распределительное устройство переменного тока нестабильной частоты, разгружающее инвертор переменного тока стабильной частоты за счет питания нагрузок, некритичных к качеству электроэнергии, снижающее массу и габариты инвертора и повышающее КПД и надежность системы.
Недостатком данной автономной системы электропитания (прототипа) является отсутствие обратимости и и взаиморазветвленности (резервирования) направлений потоков электроэнергии, что приводит к низкой энергоэкономичности и низкой надежности, в частности - аварийной живучести системы.
По технической сущности наиболее близкой к предлагаемой является последняя из рассмотренных автономных систем электропитания (прототип).
Техническим результатом предложения является повышение энергоэкономичности и надежности системы, в частности - аварийной живучести за счет многократного резервирования.
Дополнительным техническим результатом предложения является повышение срока службы электроизоляции кабелей и проводов, а также электробезопасности системы за счет снижения вдвое потенциалов устройств распределения постоянного напряжения относительно заземленного корпуса объекта.
Указанный технический результат достигается БЛАГОДАРЯ тому, что в автономную систему электропитания, содержащую электромашинный генератор переменного тока, мостовой выпрямитель с выходным конденсаторным фильтром, инвертор переменного тока стабильной частоты, распределительные устройства переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные устройства постоянного повышенного и низкого напряжения с общим заземленным выводом, зашунтированные фильтровыми конденсаторами повышенного и низкого напряжения, а также блок управления, основные выходные выводы которого подключены к управляющим выводам инвертора, причем выходные выводы якорных обмоток генератора подключены к распределительному устройству переменного тока нестабильной частоты, а инвертор своими входными выводами питания подключен к распределительному устройству постоянного повышенного напряжения, а выходными выводами - к распределительному устройству переменного тока стабильной частоты, ВВЕДЕН импульсный преобразователь постоянных напряжений, состоящий из трансреактора с первичной и вторичной обмотками, имеющими средние выводы и общий магнитопровод, двух однонаправленных двухключевых электронных стоек, однонаправленного электронного ключа, шунтирующего первичную обмотку трансреактора, и двух пар выходных диодов, каждый из первой пары которых включен между незаземленным выводом соответствующего фильтрового конденсатора повышенного напряжения и соответствующим крайним выводом первичной обмотки трансреактора, зашунтированной параллельно - встречно между собой соединенными электронными стойками, средние выводы которых подключены к соответствующим выводам постоянного тока выпрямителя и к крайним выводам его выходного конденсаторного фильтра, выполненного в виде двухконденсаторной стойки, средний вывод которой заземлен вместе со средними выводами обмоток трансреактора, из которых вторичная своими крайними выводами через соответствующие диоды второй их пары подключены к незаземленным выводам соответствующих фильтровых конденсаторов низкого напряжения, а управляющие выводы указанных электронных стоек и электронного ключа подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, выполненный с возможностью импульсного регулирования сигналов на указанных выводах в зависимости от сигналов в его цепях обратных связей по выходным токам и напряжениям, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в нее ВВЕДЕН обратимый импульсный конвертор, включенный между распределительными устройствами постоянного повышенного и низкого напряжения и подключенный своими управляющими выводами к вспомогательным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что в нее ВВЕДЕН обратимый преобразователь частоты, включенный между распределительными устройствами переменного тока нестабильной и стабильной частоты и подключенный своими управляющими выводами к добавочным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления и наконец БЛАГОДАРЯ тому, что в нее ВВЕДЕН импульсный корректор коэффициента мощности, состоящий из Г-образного емкостно-индуктивного фильтра с заземленными конденсаторами, включенного в цепь выводов переменного тока выпрямителя и зашунтированного по выходу электронными ключами переменного тока, управляющие выводы которых подключены к корректирующим выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, ВЫПОЛНЕННЫЙ с цепями обратных связей, содержащими датчики напряжения и тока, установленные во входных цепях емкостно-индуктивного фильтра.
Лабораторные испытания макета системы и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого ее промышленного использования.
На Фиг. Представлена структурно-принципиальная схема предлагаемой автономной системы электропитания.
Автономная система электропитания содержит электромашинный генератор 1 переменного тока, мостовой выпрямитель 2 с выходным конденсаторным фильтром 3, 4, инвертор 5 переменного тока стабильной частоты, распределительные устройства 6, 7 переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные устройства 8, 9 постоянного повышенного и низкого напряжения с общим заземленным выводом 10, зашунтированные фильтровыми конденсаторами 11, 12, 13, 14 повышенного и низкого напряжения, а также блок управления 15 с основными выходными выводами 16, импульсный преобразователь 17 постоянных напряжений, состоящий из трансреактора 18 с первичной 19 и вторичной 20 обмотками, имеющими средние выводы и общий магнитопровод, двух однонаправленных двухключевых электронных стоек 21-22 и 23-24, однонаправленного электронного ключа 25 и двух пар выходных диодов 26, 27 и 28, 29.
Блок управления имеет также дополнительные выходные выводы 30. Система содержит также обратимый импульсный конвертор 31, подключенный управляющими выводами к вспомогательным выходным выводам 32 блока управления, обратимый преобразователь частоты 33, подключенный управляющими выводами к добавочным выходным выводам 34 блока управления, и импульсный корректор коэффициента мощности 35, состоящий из Г-образного емкостно-индуктивного фильтра 36 с заземленными конденсаторами и выходными электронными ключами 37 переменного тока, управляющие выводы которых подключены к корректирующим выходным выводам 38 блока управления, выполненного с цепями 39 обратных связей, содержащими датчики 40 и 41 напряжения и тока, установленные во входных цепях емкостно-индуктивного фильтра.
Если в качестве электронных ключей двухключевых стоек, соединенных с выводами первичной обмотки трансреактора, использованы не полевые, а биполярные транзисторы (например, IGBT), не имеющие внутренних обратных диодов, то они могут быть зашунтированы обратными диодами 42 и 43, показанными на чертеже.
Основные выходные выводы 16 блока управления 15 подключены к управляющим выводам инвертора 5. Выходные выводы якорных обмоток генератора 1 подключены к распределительному устройству 6 переменного тока нестабильной частоты. Инвертор 5 своими входными выводами питания подключен к распределительному устройству 8 повышенного напряжения, а выходными выводами - к распределительному устройству 7 переменного тока стабильной частоты.
Однонаправленный электронный ключ 25 шунтирует первичную обмотку 19 трансреактора 18. Каждый из первой пары диодов 26, 27 включен между незаземленным выводом соответствующего фильтрового конденсатора 11, 12 повышенного напряжения и соответствующим крайним выводом первичной обмотки 19 трансреактора 18, зашунтированной параллельно - встречно между собой соединенными электронными стойками 21-22 и 23-24. Средние выводы указанных стоек подключены к соответствующим выводам постоянного тока выпрямителя 2 и к крайним выводам его выходного конденсаторного фильтра 3-4, выполненного в виде двухконденсаторной стойки, средний вывод которой вместе со средними выводами обмоток 19, 20 заземлен на общий заземленный вывод 10 распределительных устройств 8 и 9. Вторичная обмотка 20 трансреактора 18 своими крайними выводами через соответствующие диоды 27, 28 второй их пары подключены к незаземленным выводам соответствующих фильтровых конденсаторов 13,14 низкого напряжения.
Обратимый импульсный конвертор 31 включен между распределительными устройствами 8 и 9 постоянного повышенного и низкого напряжения. Обратимый преобразователь частоты 33 включен между распределительными устройствами 6 и 7 переменного тока нестабильной и стабильной частоты.
В качестве двунаправленных электронных ключей 37 корректора коэффициента мощности 35 могут использоваться встречно-последовательно включенные полевые транзисторы МОСФЕТ с внутренними обратными диодами или однофазные диодно-выпрямительные мосты, зашунтированные по выходу транзисторами.
В качестве преобразователя частоты 33 могут быть использованы непосредственный преобразователь - циклоконвертор или преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока с двумя обратимыми выпрямительно-инверторными блоками.
Блок управления 15 выполнен с возможностью импульсного (например, широтно-импульсного) регулирования сигналов на своих основных, дополнительных, вспомогательных и добавочных выходных выводах в зависимости от сигналов в его цепях обратной связи по выходным токам и напряжениям системы, а также с возможностью импульсного регулирования сигналов на своих корректирующих выводах в зависимости от формы и фазового сдвига сигналов датчиков 40 и 41 напряжения и тока во входных цепях емкостно-индуктивного фильтра 36. Для выполнения последней функции может быть использованы широко выпускаемые микросхемы «Корректор коэффициента мощности», объединенные с управляющими драйверами.
Предлагаемая автономная система электропитания работает следующим образом.
3ф
Ротор электромашинного генератора 1 переменного тока вводится в зацепление с валом приводного двигателя и после его разгона вращается, в общем случае - с нестабильной угловой скоростью ω - var, в результате чего к шинам распределительного устройства 6 переменного тока нестабильной частоты подводится трехфазное переменное напряжение нестабильной частоты (U, f - var), питающее мощные нагревательные и другие нагрузки, некритичные к качеству электроэнергии. Это же напряжение питает мостовой выпрямитель 2 через емкостно-индуктивный фильтр 35. На выходных выводах постоянного тока выпрямителя 2 появляется знакопостоянное пульсирующее выпрямленное напряжение, частично сглаженное выходным емкостным фильтром 3, 4, подключенным, в частности, по схеме «удвоения фазного напряжения» со средним заземленным выводом. При наличии импульсного корректора мощности 35 указанная схема выпрямления с входным и выходным фильтрами в литературе называется схемой «Виенна-выпрямителя». Благодаря широтно-импульсному регулированию модулирующих ключей переменного тока 37 с отрицательной обратной связью по форме и фазовому сдвигу потребляемого тока блок управления обеспечивает синусоидальность фазных токов и их синфазность с фазными напряжениями, т.е. приближает значение коэффициента потребляемой мощности к единице, снижая тепловые потери и потери напряжения в подводящих проводах и обмотках генератора и сохраняя синусоидальную форму напряжений на распределительном устройстве 6. При этом также стабилизируется среднее значение пульсирующего выпрямленного напряжения на фильтре 3, 4.
Импульсный преобразователь 17 постоянных напряжений (расщепленный инвертирующий и обратноходовой конвертор) функционирует в высокочастотном широтно-импульсном модуляторном режиме.
и
После очередного включения электронных ключей 21 и 23 двухключевых стоек происходит нарастание тока и потокосцепления в секциях первичной обмотки 19 трансреактора 18 по цепям 3-21-19-3 и 4-19-23-4 и одновременная подзарядка конденсатора с меньшим напряжением с помощью ЭДС индукции, трансформируемой в соответствующей секции, с токами по цепям обратных диодов 42 и 43 (самовыравнивание напряжений на конденсаторах 3 и 4). Эти процессы занимают заданный интервал времени импульса Δt и сопровождаются частичной разрядкой конденсаторов 3, 4 и запасанием электромагнитной энергии трансреактором.
п
После выключения ключей 21, 23 и одновременного включения ключей 25, 24 и 22 происходит закорачивание первичной обмотки 19 с сохраняющимся током в цепи 19-25 в течение интервала времени паузы Δt, необходимого для обеспечения статической устойчивости процесса регулирования.
и
п
После дальнейшего выключения ключа 25 происходит передача дозы электромагнитной энергии, накопленной в трансреакторе 18, в нагрузки, подключенные к распределительным устройствам 8 и 9, с токами в цепях 19-27-8-нагрузки-8-26-19 и 20-28-9-нагрузки-9-29-20, а также рекуперация дозы энергии индуктивностей рассеяния секций обмотки 19 обратно в емкостной фильтр 3-4 с токами в цепях 19-4-24-19 и 19-22-3-19. Этот заключительный этап периода Т модуляционного цикла имеет остаточную длительность (Т-Δt-Δt).
Далее перечисленные этапы циклически повторяются, осуществляя питание нагрузок постоянного повышенного и низкого напряжения. При этом обеспечивается непрерывность суммарного потокосцепления обмоток 19 и 20 трансреактора 18, выполняющего функции расщепления потоков электроэнергии в нагрузки постоянного повышенного и низкого напряжения, а также промежуточного фильтрового накопителя энергии, компенсирующего провалы пульсирующего выпрямленного напряжения выпрямителя 2 и позволяющего вместо энергоемких нетермостойких и ненадежных электролитических конденсаторов в качестве емкостного фильтра 3-4 применить более термостойкие и надежные пленочные конденсаторы с относительно небольшой энергоемкостью.
Питание распределительного устройства 7 переменного тока стабильной частоты, как и в прототипе, обеспечивается инвертором 5 переменного тока, а также, в отличие от прототипа, обратимым преобразователем частоты 33, который способен также выполнять функцию рекуперации энергии индуктивных и электродвигательных нагрузок переменного тока стабильной частоты в электромагнитную и механическую энергию генератора 1 и механизма его привода. Помимо этого преобразователь частоты 33 способен вместе с генератором 1 осуществлять режим стартерного запуска силовой приводной установки.
Обратимый импульсный конвертор 31 способен осуществлять взаимное резервное питание распределительных устройств 8 и 9 постоянного повышенного и низкого напряжения, а также обеспечить питание наиболее важных нагрузок от аккумуляторной батареи, подключенной для этого к распределительному устройству 9 низкого напряжения.
Таким образом, предлагаемая автономная система электропитания, в отличие от прототипа, позволяет реализовать заявленный основной технический результат: повышение энергоэкономичности и надежности системы, в частности - аварийной живучести за счет многократного резервирования, и, кроме этого, - дополнительный технический результат: повышение срока службы электроизоляции кабелей и проводов, а также электробезопасности системы за счет снижения вдвое потенциалов устройств распределения постоянного напряжения относительно заземленного корпуса объекта.