Устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора
DEVICE FOR GENERATING CONSTANT FREQUENCY AC VOLTAGE AT VARIABLE SPEED OF GENERATOR DRIVE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты при переменной частоте вращения привода генератора. Такие системы обозначают как машинно-электронные генерирующие системы типа ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) - см., например, стр. 432 в [1]: Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Изд. МЭИ, 2005. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов - 2005. - 568 с.
Известны системы типа ПСПЧ, выполненные в виде последовательно включенных синхронного генератора (СГ) с переменной частотой вращения вала и статического преобразователя частоты (СПЧ), обеспечивающего стабилизацию частоты. Для решения этой задачи могут применяться два типа СПЧ - непосредственного типа (НПЧ) и со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ) - рис. 12.55 на стр. 430 и рис. 12.49 на стр. 432 в [1] соответственно. Последний тип СПЧ - ПЧЗПТ в транзисторном исполнении получил наибольшее распространение в силу своей большей простоты. Он включает в себя последовательно соединенные выпрямительный блок, сглаживающий фильтр и инверторный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме с выходным фильтром.
Недостатком такой системы ПСПЧ является неудовлетворительное качество ее работы при несимметричной трехфазной нагрузке. В этом случае выходные фазные напряжения приобретают амплитудную и фазовую несимметрию и различный уровень их искажений, которые по своему уровню выходят за пределы, допустимые соответствующим авиационным ГОСТом.
Кроме того, качество потребляемого от генератора тока достаточно низкое (с коэффициентом гармоник примерно 0,3), что приводит к повышенной установленной мощности сглаживающего фильтра и к повышенным потерям в магнитопроводах статора и ротора из-за большого содержания в нем 5-й и 7-й гармоник.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты при переменной частоте вращения привода генератора, выполненная на базе СПЧ со звеном постоянного тока - ПЧЗПТ, описанная на стр. 147 статьи [2]: Грабовецкий Г.В., Коробков Д.В., Харитонов С.А. Несимметричная нагрузка в системе генерирования электрической энергии с инвертором напряжения// Доклады ТУСУРа, №1 (25), часть 1, июнь 2012. Устройство содержит последовательно включенные синхронный генератор с основной трехфазной якорной обмоткой с топологией «звезда», основной трехфазный выпрямитель по мостовой схеме с блоком фильтрации на выходе, включающий в себя конденсаторный делитель, и трехфазный инвертор напряжения с выходным фильтром, выходные выводы которого предназначены для подключения к ним несимметричной трехфазной нагрузки с топологией «звезда», причем средняя точка конденсаторного делителя предназначена для подключения ее к нулевой точке нагрузки. В таком решении использование в нем конденсаторного делителя позволяет повысить качество работы устройства при несимметричной трехфазной нагрузке, заключающийся в ухудшении показателей качества выходного напряжения системы генерирования при несимметрии фазных сопротивлений трехфазной нагрузки. Однако качество потребляемого от генератора тока достаточно низкое (с коэффициентом гармоник примерно 0,3), что приводит к повышенной установленной мощности сглаживающего фильтра и к повышенным потерям в магнитопроводах статора и ротора из-за большого содержания в нем 5-й и 7-й гармоник. Оба недостатка отрицательно сказываются на массогабаритных показателях системы.
Технической задачей изобретения является расширение области применения системы генерирования напряжения переменного тока.
Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей качества устройства генерирования, включая ее массогабаритные показатели.
Достигается это тем, что устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора, содержащее последовательно включенные синхронный генератор с основной трехфазной якорной обмоткой с топологией «звезда», подключенной ко входам основного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме с блоком фильтрации на выходе, в состав которого входит конденсаторный делитель, а также трехфазный инвертор напряжения с выходным фильтром, выходные выводы которого предназначены для подключения к ним несимметричной трехфазной нагрузки с топологией «звезда», причем средняя точка конденсаторного делителя предназначена для подключения ее к нулевой точке нагрузки, снабжено индивидуальным LC фильтром для однофазных нагрузок, дроссель которого одним своим концом подключен непосредственно к одному их выходных выводов трехфазного инвертора напряжения, дополнительным трехфазным выпрямителем по мостовой схеме, двумя трансфильтрами, каждый с обмоткой со средней точкой, блок фильтрации снабжен двумя сглаживающими дросселями, а синхронный генератор выполнен с дополнительной якорной обмоткой, по числу витков аналогичной основной якорной обмотке, но сдвинутой в пространстве относительно нее на угол π/6, которая подключена к входам дополнительного трехфазного выпрямителя, одни одноименные по полярности выводы основного и дополнительного трехфазных выпрямителей подключены к концам обмотки первого трансфильтра, другие одноименные по полярности выводы этих мостов подключены к концам обмотки второго трансфильтра, два сглаживающих дросселя включены между средними точками обмоток трансфильтров и соответствующими обкладками конденсаторного делителя, а нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток объединены.
Кроме того, нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток подключены к средней точке конденсаторного делителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты (называемой также системой ПСПЧ), на фиг. 2 приведены осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования напряжения.
Устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора содержит электрическую машину (СГ) в генераторном режиме 1 с якорными обмотками 2, 3, выполненными по топологии «звезда», два трехфазных выпрямительных моста - основной 4 и дополнительный 5 с выходными выводами постоянного тока 4.1, 4.2 и 5.1, 5.2 соответственно, а также два трансфильтра 6, 7. Каждый из выпрямительных мостов 4, 5 своими входами 4.3÷4.5 и 5.3÷5.5 соответственно подключен к одной из якорных обмоток 2, 3. Одни одноименные по полярности выходные выводы 4.1, 5.1 мостов 4 и 5 подключены к концам 6.1, 6.2 обмотки трансфильтра 6, другие одноименные по полярности выходные выводы 4.2, 5.2 этих мостов 4 и 5 подключены к концам 7.1, 7.2 обмотки трансфильтра 7. Средние точки 6.3 и 7.3 обмоток трансфильтров 6, 7 подключены к одним концам сглаживающих дросселей 8, 9, другие концы которых подключены к тем обкладкам конденсаторного делителя 10, которые подсоединены к шинам питания трехфазного инвертора напряжения 11. Элементы 8, 9, 10 образуют блок фильтрации 12-пульсного выпрямленного напряжения. Выходные выводы 11.1, 11.2, 11.3 трехфазного инвертора подключены к трехфазному фильтру 12. К его выходным выводам 12.1, 12.2, 12.3 подключают симметричную трехфазную нагрузку 13. Одну или несколько однофазных нагрузок 14 согласно изобретению подключают через индивидуальный Г образный LC фильтр - дроссель (L) 15 и конденсатор (С) 16. Благодаря этому решению, а также использованию конденсаторного делителя 10 однофазные нагрузки практически не оказывают влияния на показатели качества симметричной трехфазной нагрузки 13.
1
Двухканальное (в виде обмоток 2, 3) исполнение якорной обмотки 1 и выпрямительного блока (в виде выпрямителей 4, 5) с использованием для суммирования токов каналов трансфильтров 6, 7 позволяет улучшить массогабаритные показатели синхронного генератора (СГ), а именно: снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей 8, 9. Что касается трансфильтров 6, 7, то они обеспечивают независимую работу выпрямителей 4, 5 и работают на утроенной частоте генератора - 3ƒ. Режим независимой работы выпрямителей способствует снижению габаритной мощности генератора (СГ). Например, при отсутствии трансфильтров режим работы СГ значительно ухудшается, что на этапе его проектирования требует увеличения его габаритной мощности в 1,36 раза. Заметим, что при использовании трансфильтров их габаритная мощность не превышает 3% от мощности нагрузки.
Для снижения массы выходных фильтров в трехфазном инверторе используют алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - фиг. 2 г).
1
3
2
1
3
В случае применения данной системы генерирования на некоторых летательных аппаратах приходится выполнять требование «зануления» генератора и потребителей. В этом случае необходимо объединять нулевую точку 0 якорных обмоток 2, 3 со средней точкой 0 конденсаторного делителя 10 (на фиг. 1 эта связь показана пунктиром), которая в свою очередь уже соединена с нулевой точкой 0 трехфазной и однофазной нагрузок 13, 14. Показатели качества такой системы при этом несколько (на 2÷3%) ухудшаются из-за протекания в нулевом проводе 01-03 гармоник нулевой последовательности. Этот факт следует иметь в виду, так что целесообразность введения связи 0÷0 каждый раз, когда это возможно, должна внимательно рассматриваться и обосновываться.
2
2
Осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования, поясняющие ее работу, представлены на фиг. 2, где показаны: а), б) - фазные напряжения и токи на якорных обмотках 2.1 и 3.1; в) - эквивалентный фазный ток этих двух обмоток, определяющий реакцию якоря СГ и потери в стали магнито-проводов якоря и ротора; г) - фазные напряжения до фильтра (между точками 11.1.и 0), после фильтра (между точками 12.1.и 0) и ток нагрузки (в фазе 13.1); д) - напряжения на одной из обмоток трансфильтров 6 и 7; е) - одно из линейных напряжений на входе трехфазного выпрямителя, а также 12-пульсное выпрямленное напряжение до блока фильтрации (между точкам 6.1 и 7.1) и после блока фильтрации (на конденсаторном делителе, т.е. непосредственно между шинами питания трехфазного инвертора). На осциллограмме эти напряжения практически плохо различимы между собой, что, в частности, свидетельствует о незначительной установленной мощности элементов блока фильтрации выпрямленного напряжения.
1
2
Осциллограммы соответствуют режиму, когда частота напряжения СГ ƒ=300 Гц, а выходная частота системы генерирования ƒ=400 Гц. Искажения в напряжениях СГ обусловлены индуктивностями рассеяния его обмоток.
Использование изобретения позволяет при одновременном расширении области применения, снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей.