АВТОНОМНАЯ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Предлагаемая система электроснабжения относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. К таким объектам относятся например летательные аппараты, транспортные средства. Во многих упомянутых объектах нагрузки питаются постоянным напряжением 27 Вольт, при этом требуется обеспечить как автономный запуск двигателя объекта, так и обеспечение нагрузок стабилизированным постоянным напряжением при самых жестких требованиях к массе и габаритам системы. Известна [1] стартер-генераторная электроэнергетическая установка обеспечивающая снабжение нагрузок электроэнергией и запуск двигателя внутреннего сгорания. В этой установке для запуска и генерирования использована одна электрическая машина и один преобразователь со звеном постоянного тока и инвертором, что обеспечивает снижение массы и стоимости. Однако эта установка обеспечивает нагрузки переменным током и не может быть применена в системах постоянного тока.
Известен [2] способ управления вентильным электроприводом и электропривод [3] обеспечивающий режим торможения за счет поочередного широтно-импульсного управления всеми силовыми ключами трехфазного инвертора соединенными с положительной шиной, а потом ключами соединенными с отрицательной силовой шиной.
В предлагаемой стартер-генераторной системе электроснабжения способ управления при торможении электропривода использован в режиме генерирования, а предложенная схема снабжена дополнительными управляющими блоками, позволяющими минимизировать массу и стоимость системы, при одновременной стабилизации напряжения. Технический результат достигается за счет того, что автономная стартер-генераторная система электроснабжения постоянным током, снабженная пусковым источником электроэнергии, например аккумулятором, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, которая при пуске работает как двигатель, а в рабочем режиме, - как генератор, причем обмотки статора электрической машины соединены с трехфазным мостовым инвертором на полупроводниковых ключах, соединенных через согласующие каскады с системой управления запуском и с двухканальной системой широтно-импульсных модуляторов, причем выход первого канала через согласующие каскады связан с полупроводниковыми ключами, подключенными к плюсовой шине системы электроснабжения, а выход второго канала связан с ключами, подключенными к минусовой шине, причем каждый канал имеет два входа, при этом первые входы подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, а нагрузки системы электроснабжения через контактор и буферный аккумулятор соединены с шинами постоянного тока инвертора, а к клеммам питания нагрузок присоединен измерительный орган напряжения, выход которого через усилитель присоединен ко вторым входам каждого канала широтно-импульсного модулятора, причем система снабжена контроллером числа оборотов ротора электрической машины, который через пороговый элемент соединен с переключателем электропитания блоков управления режимами запуска и генерирования с регулированием величины выходного напряжения системы электроснабжения нагрузок постоянным током.
Система представлена на фигуре 1, где обозначено:
1 - Электрическая машина с ротором на постоянных магнитах;
2 - Трехфазный инвертор на полупроводниковых ключах, шунтированных диодами;
3 - Основной двигатель объекта, например, турбина;
4 - Накопительный конденсатор на шинах постоянного тока
инвертора;
5 - Аккумуляторная батарея;
6 - Пусковой контактор;
7 - Нагрузки электросети автономного объекта;
8 - Согласующие каскады, например, драйверы;
9 - Система управления запуском;
10 - Контроллер числа оборотов с пороговым элементом;
11 - Переключатель электропитания блоков управления;
12 - Генератор пилообразного напряжения;
13 - Измерительный орган выходного напряжения с усилителем;
14; 15 - Первый и второй широтно-импульсные модуляторы.
Работает предложенная система следующим образом:
При запуске замыкаются контакты 6 пускового устройства. От аккумулятора 5 поступает электропитание на нагрузки 7 и в систему зажигания двигателя внутреннего сгорания 3. Одновременно через контакты переключателя 11 электропитание поступает на блок 9, обеспечивающий программу управления пуском и через согласующие каскады 8 начинают коммутироваться силовые полупроводниковые ключи инвертора 2, так что в статоре электрической машины 1 образуется вращающееся электромагнитное поле. В результате начинает вращаться ротор электрической машины 1, механически связанный с двигателем внутреннего сгорания 3 и по достижении определенных оборотов, осуществляется устойчивый пуск двигателя 3 с последующим увеличением оборотов.
Контроллер 10 числа оборотов с пороговым элементом осуществляет мониторинг числа оборотов и при заданной их величине обеспечивает с помощью переключателя 11 перевод электропитания с блока 9 на блоки 14 и 15. На эти же блоки подаются сигналы с генератора пилообразного напряжения 12. Причем на один блок подаются положительные полуволны пилообразного напряжения, а на другой блок подаются отрицательные полуволны пилообразного напряжения. На эти же блоки подается с измерительного органа 13 сигнал, который сравнивается с соответствующим пилообразным напряжением. Если выходное напряжение равно заданному, то сигнал с измерительного органа 13 превосходит сигнал с генератора пилообразного напряжения 12. В этом случае все полупроводниковые ключи инвертора 2 закрыты и он работает как мостовой трехфазный выпрямитель, снабжая электроэнергией нагрузки 7 и подзаряжая аккумулятор 5.
При снижении выходного напряжения сигнал с измерительного органа 13 уменьшается и на некоторое время t сигнал пилообразного напряжения превышает его. При этом все силовые ключи инвертора 2 присоединенные к положительной или отрицательной шине, в зависимости от какого из модуляторов идет сигнал, открываются (смотри схему по фиг 1).
T
2
В результате на полупериоде Т/2 пилообразного напряжения в течение времени t три, присоединительных к одной шине, полуприводниковых ключа открыты, а в течение (/-t), - закрыты.
I
2
Энергия за время t запасается в закороченных обмотках статора и во внешних индуктивностях, обозначенных на фигуре 1 пунктиром, а на этапе (/-t) сбрасывается в конденсатор 4. В выходное напряжение будет увеличиваться. Если полупроводниковые ключи инвертора 2 имеют встроенную защиту по току, то внешних индуктивностей не требуется. Для установившегося процесса, в режиме непрерывных токов, выходное напряжение будет определяться выражением.
В результате, за счет действия обратной связи, выходное напряжение будет стабилизироваться.
Если обороты основного двигателя 3 уменьшаться в два раза, в два раза уменьшится напряжение на обмотках электрической машины 1, а отношение  достигнет значения 0,5.
При этом выходное напряжение на нагрузках уменьшается только на величину статической ошибки системы регулирования.
В результате, предложенная стартер-генераторная система будет снабжать нагрузки автономного объекта стабилизированным постоянным напряжением при простейшей силовой части, а следовательно, при минимальной массе и стоимости.
Использованные источники:
1. Патент на изобретение №2363090 от 21.01.2008 г.
авторы Лаптев Н.Н., Харитонов С.А.
2. Патент на изобретение №2398348 от 01.12.2008 г.
автор Лаптев Н.Н.
3. Патент на полезную модель №82077 от 05.12.2008 г.
авторы Лаптев Н.Н., Левин А.В., Довгаленок В.М., Ходунов М.Ф.