АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой импульсной электронике и может быть использована при создании авиационно-бортовых систем электроснабжения перспективных самолетов (полностью электрифицированных).
Известна автономная система электроснабжения перспективных летательных аппаратов, называемая «система постоянного тока повышенного наряжения 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 и 28 В и распределительные устройства (шины) постоянного тока 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 электроснабжения (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 частоты, позволяющее разгрузить инвертор переменного тока стабильной частоты, снизить его массу и габариты и повысить надежность системы.
Известна автономная система электроснабжения перспективных летательных аппаратов, так 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 и распределительные устройства постоянного повышенного и низкого напряжения (см. там же, Рис.14.18в). В отличие от предыдущей системы (аналога) в данной системе (прототипе) добавлено распределительное устройство переменного тока нестабильной частоты, разгружающее инвертор переменного тока стабильной частоты, снижающее его массу и габариты и повышающее надежность системы.
Недостатком данной автономной системы электроснабжения (прототипа) является отсутствие обратимости 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 электроснабжения (прототип).
Техническим результатом предложения являются повышение энергоэкономичности и надежности системы, в частности - аварийной живучести за счет многократного резервирования.
Указанный технический результат достигается БЛАГОДАРЯ тому, что в автономную систему электроснабжения, содержащую электромашинный генератор переменного тока, управляемые выпрямители повышенного и низкого напряжения, инвертор переменного тока стабильной частоты, распределительные устройства переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные устройства постоянного тока повышенного и низкого напряжения с общим заземленным выводом, зашунтированные фильтровыми конденсаторами, а также схему управления, основные выходные выводы которой подключены к управляющим выводам выпрямителей, причем выходные выводы якорных обмоток генератора подключены к распределительному устройству нестабильной частоты, а инвертор переменного тока своими входными выводами питания подключен к распределительному устройству постоянного тока повышенного напряжения, а выходными выводами - к распределительному устройству переменного тока стабильной частоты, ВВЕДЕНЫ два обратимых выпрямительно-инверторных преобразователя низкой и повышенной частоты, трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к выводам переменного тока выпрямительно-инверторного преобразователя повышенной частоты, и тремя вторичными обмотками, первые две из которых подключены к выводам переменного тока управляемого выпрямителя повышенного напряжения, а третья - к выводам переменного тока управляемого выпрямителя низкого напряжения, обратимый трехканальный конвертор, три электронные диодно-ключевые стойки, подключенные крайними силовыми выводами параллельно соответствующим фильтровым конденсаторам, а управляющими выводами - к модулирующим выходным выводам дополнительно ВВЕДЕННЫМ в схему управления, четыре сглаживающих реактора, первый из которых включен последовательно между выводами постоянного тока выпрямительно-инверторных преобразователей низкой и повышенной частоты, второй, третий и четвертый сглаживающие реакторы включены каждый последовательно с диодом соответственно первой, второй и третьей диодно-ключевых стоек между соответствующим незаземленным выводом распределительных устройств постоянного тока повышенного и низкого напряжения и выводами постоянного тока управляемых выпрямителей повышенного и низкого напряжения; при этом управляемый выпрямитель повышенного напряжения выполнен обратимым с возможностью обратного инвертирования, а его выход постоянного тока вместе с распределительным устройством постоянного тока повышенного напряжения выполнены со средними заземленными выводами, подключенными к общей точке соединения свободных разнополярных выводов ключей электронных диодно-ключевых стоек, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в нее ВВЕДЕНЫ три вспомогательных управляемых ключа, силовые выводы которых шунтируют соответственно первый, второй и третий сглаживающие реакторы, при этом второй и третий реакторы - вместе с диодами соответствующих диодно-ключевых стоек, а управляющие выводы подключены соответственно к командному выводу и вспомогательным модулирующим выходным выводам, дополнительно ВВЕДЕННЫМ в схему управления, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что выпрямительно-инверторный преобразователь низкой частоты ВЫПОЛНЕН по схеме с корректором коэффициента мощности и вместе с выпрямительно-инверторным преобразователем повышенной частоты своими управляющими выводами подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в схему управления, ВЫПОЛНЕННУЮ с возможностью импульсного формирования синусоидальной формы входных токов корректора коэффициента мощности и их синхронизации с фазными напряжениями генератора переменного тока, и наконец, БЛАГОДАРЯ тому, что в нее ВВЕДЕН обратимый преобразователь частоты, включенный между распределительными устройствами нестабильной и стабильной частоты.
Лабораторные испытания макета системы и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого ее промышленного использования.
На Фиг. представлена структурная схема предлагаемой автономной системы электроснабжения.
Автономная система электроснабжения содержит электромашинный генератор 1 переменного тока, управляемые выпрямители 2, 3 повышенного и низкого напряжения, трехфазный инвертор 4 переменного тока стабильной частоты, распределительные устройства 5, 6 переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные устройства 7, 8 постоянного тока повышенного и низкого напряжения с общим заземленным выводом 9, зашунтированные фильтровыми конденсаторами 10, 11, 12, схему управления 13 с основными выходными выводами 14, 15, обратимые выпрямительно-инверторные преобразователи 16, 17 низкой и повышенной частоты, трансформатор 18 с первичной и тремя вторичными обмотками, обратимый трехканальный конвертор 19, три электронные диодно-ключевые стойки 20, 21, 22.
Схема управления имеет также модулирующие выходные выводы 23, 24, 25. Система содержит также четыре сглаживающие реактора 26, 27, 28, 29, три вспомогательных управляемых ключа 30, 31, 32. Схема управления имеет также командный вывод 33, вспомогательные модулирующие выходные выводы 34, 35 и дополнительные выходные выводы 36, 37.
Основные выходные выводы 14, 15 схемы управления 13 подключены к управляющим выводам выпрямителей 2, 3. Выходные выводы трехфазных якорных обмоток генератора 1 подключены через соединительный кабель к распределительному устройству 5 нестабильной частоты. Трехфазный инвертор 4 переменного тока своими выходными выводами питания подключен к распределительному устройству 7 постоянного тока повышенного напряжения, состоящему из плюсовой, минусовой и нулевой (заземленной) шин, а выходными выводами - к трехфазному распределительному устройству 6 переменного тока стабильной частоты. Первичная обмотка трансформатора 18 подключена к выводам переменного тока выпрямительно-инверторного преобразователя 17 повышенной частоты. Первые две вторичные обмотки трансформатора подключены к выводам переменного тока управляемого выпрямителя 2 повышенного напряжения, а третья вторичная обмотка - к выводам переменного тока управляемого выпрямителя 3 низкого напряжения. Электронные диодно-ключевые стойки 20, 21, 22 подключены крайними силовыми выводами параллельно соответствующим фильтровым конденсаторам 10 ,11, 12, а управляющими выводами - к модулирующим выходным выводам 23, 24, 25 схемы управления 13.
Первый сглаживающий реактор 26 включен последовательно между выводами постоянного тока выпрямительно-инверторных преобразователей 16 и 17 низкой и повышенной частоты. Второй 27, третий 28 и четвертый 29 сглаживающие реакторы включены каждый последовательно с диодом соответственно первой и второй диодно-ключевых стоек, между соответствующим незаземленным выводом распределительных устройств постоянного тока повышенного и низкого напряжения и соответствующим незаземленным выводом постоянного тока управляемых выпрямителей повышенного и низкого напряжения. Выход постоянного тока управляемого выпрямителя повышенного напряжения вместе с распределительным устройством постоянного тока повышенного напряжения выполнены со средними заземленными выводами для промежуточного потенциала, подключенными к общей точке соединения свободных разнополярных выводов ключей электронных диодно-ключевых стоек. Силовые выводы вспомогательных управляемых ключей 30, 31, 32 шунтируют соответственно первый, второй и третий сглаживающие реакторы, при этом второй 27 и третий 28 реакторы шунтируются вместе с диодами соответствующих диодно-ключевых стоек 20 и 21. Управляющие выводы указанных ключей подключены соответственно к командному выводу 33 и вспомогательным модулирующим выходным выводам 34, 35 схемы управления 13. Выпрямительно-инверторный преобразователь 16 низкой частоты вместе с выпрямительно-инверторным преобразователем 17 повышенной частоты своими управляющими выводами подключены к дополнительным выходным выводам 36, 37 схемы управления 13.
Управляемый выпрямитель 2 повышенного напряжения выполнен обратимым с возможностью обратного инвертирования.
Выпрямительно-инверторный преобразователь 16 низкой частоты выполнен по схеме с корректором коэффициента мощности (например, по известной схеме Виенна-выпрямителя), а схема управления 13 выполнена с возможностью импульсного формирования синусоидальной формы входных токов корректора коэффициента мощности преобразователя 16 и их синхронизации с фазными напряжениями генератора переменного тока 1. Это может быть реализовано с помощью широко известной микросхемы «Корректор коэффициента мощности». Автономная система электроснабжения работает следующим образом.
Ротор синхронного генератора 1 переменного тока вводится в зацепление с валом приводного двигателя и после его разгона вращается, в общем случае - с нестабильной угловой скоростью, в результате чего к шинам трехфазного распределительного устройства 5 переменного тока нестабильной частоты ≈f - var, питающее мощные нагревательные и другие нагрузки, некритичные к качеству электроэнергии.
В исходном состоянии вспомогательный управляемый ключ 30 замкнут, а ключи 30 и 32 выключены, что соответствует прямому направлению потока преобразуемой электроэнергии от генератора 1 к нагрузкам, подключенным к шинам распределительных устройств 6, 7 и 8, питающих нагрузки, критичные к качеству электроэнергии.
Выпрямительно-инверторный преобразователь 16 низкой частоты работает при этом режиме в качестве управляемого выпрямителя, питающего через замкнутый ключ 30 выпямительно-инверторный преобразователь 17 повышенной частоты, работающий при этом режиме в качестве инвертора прямоугольного напряжения. Трансформатор 18 при этом выполняет функции гальванически развязанного расщепления и согласования трех выходных напряжений: повышенного, например, 0±135 В, подводимого к управляемому выпрямителю 2 с заземленным средним выводом промежуточного (нулевого) потенциала, и низкого, например ±28 В, подводимого к управляемому выпрямителю 3.
Второй 27, третий 28 и четвертый 29 сглаживающие реакторы при этом работают в качестве буферных накопителей электромагнитной энергии постоянных токов (обозначенных стрелками на Фиг.), замыкающихся по цепям транзисторов электронных диодно-ключевых стоек 20, 21, 22 и выходных управляемых вентилей управляемых выпрямителей 2, 3. Электронные диодно-ключевые стойки 20, 21, 22 одновременно с этим выполняют функцию стабилизаторов выходных напряжений на распределительных устройствах 7 и 8 (путем широтно-импульсной модуляции переключений направлений токов сглаживающих реакторов). Обратимый трехканальный конвертор 19 осуществляет резервное взаимное питание распределительных устройств 7, 8 постоянного тока с помощью входящих в его состав понижающих и повышающих (бустерных) импульсно-ключевых модуляторов. Инвертор 4 переменного тока преобразует постоянное повышенное напряжение распределительного устройства 7 в трехфазное синусоидальное напряжение, подаваемое на распределительное устройство 6 переменного тока стабильной частоты. При необходимости рекуперации энергии, накопленной в цепях электродвигательных нагрузок (в режиме их рекуперативного торможения) или энергоемких индуктивных нагрузок, система переводится в режим обратного направления потоков электроэнергии от распределительных устройств 6, 7, 8 в генератор 1 переменного тока, работающий при этом в режиме электродвигателя переменного тока и возвращающий указанную энергию приводному двигателю (например, топливному авиадвигателю). Аналогичный процесс имеет место при стартерной раскрутке, приводного двигателя, от вспомогательного источника постоянного или переменного тока. Для этого вспомогательный управляемый ключ 30 размыкается, а ключи 31 и 32 включаются. При этом инвертор 4 переменного тока стабильной частоты переводится в режим обратного выпрямления. Обратные токи от шин распределительного устройства 7 повышенного напряжения через вспомогательные управляемые ключи 31, 32 и ключи электронных диодно-ключевых стоек 20 и 21 протекают по цепям второго 27 и третьего 28 сглаживающих реакторов, а также по цепям постоянного тока управляемого выпрямителя 2 повышенного напряжения, работающего в обратном инверторном режиме и питающего вторичные обмотки трансформатора 18 переменным прямоугольным напряжением повышенной частоты.
ЭДС индукции, возникающая в первичной обмотке трансформатора 18 через выпрямительно-инверторный преобразователь 17, работающий при этом в режиме обратного выпрямителя, и через первый сглаживающий реактор 26 подается на выводы постоянного тока выпрямительно-инверторного преобразователя 16. Последний при этом переводится в режим обратного трехфазного инвертора тока и через распределительное устройство 5 питает якорные обмотки генератора 1 переменного тока.
Если энергия поступает из цепей нагрузок, подключенных к распределительному устройству 8 низкого напряжения, то она сначала преобразуется с помощью обратимого конвертора 19 и затем передается по вышеописанному тракту от распределительного устройства 7 к генератору 1. Обратимый преобразователь 38 частоты способен осуществлять двустороннюю связь между распределительными устройствами 5, 6 переменного тока нестабильной и стабильной частоты как в штатных режимах (для разгрузки основного тракта, описанного выше), так и в аварийных режимах, а также способен увеличить пусковую мощность системы при стартерной раскрутке приводного двигателя.
Из приведенного описания работы следует, что в предложенной автономной системе обеспечивается обратимость и взаиморазветвленность (резервирование) направлений потоков электроэнергии, чем достигается заявленный технический результат - повышение энергоэкономичности и надежности, в частности аварийной живучести системы.