Система электроснабжения постоянного тока
DC POWER SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении, в частности, авиационных систем электроснабжения электрической энергии постоянного тока, в которых для снижения массы и габаритов системы электроснабжения, повышения качественных показателей генерируемой электрической энергии применяется синхронный генератор и активный выпрямитель на базе инвертора напряжения. В таких системах механическая энергия вращающегося с переменной частотой вала синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию переменного тока с переменной частотой, а затем с помощью выпрямителя преобразуется в электрическую энергию постоянного тока со стабилизированным по величине напряжением.
Известна система электроснабжения постоянного тока [Патент РФ № 2240642, Н03М7/40, Н02Р9/00, 9/48, 2002. Источник питания постоянного тока / Левин А. В., Лившиц Э. Я., Пузанов В. Г., Юхнин М. М.], в которой синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов генерирует многофазное переменное напряжение, изменяющееся по частоте и величине при изменении частоты вращения вала генератора. Данное напряжение подаётся на многофазный управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах, с помощью которого это напряжение выпрямляется и осуществляется стабилизация среднего значения выходного напряжения. Пульсации в выпрямленном напряжении подавляются с помощью выходного конденсаторного фильтра.
Существенным недостатком такой системы является применение управляемого выпрямителя. При большом диапазоне изменения частоты напряжения синхронного генератора происходит пропорциональное изменение амплитуды его напряжения. В этом случае угол регулирования моментов включения тиристоров в управляемом выпрямителе будет достигать больших величин, что приведёт к существенному уменьшению коэффициента мощности синхронного генератора, как за счет сдвига тока основной гармоники, так и за счёт ухудшения его гармонического состава. Кроме этого, увеличение угла регулирования приведёт к значительному увеличению номинального значения ёмкости выходного конденсаторного фильтра. Указанные факторы приведут к увеличению массы синхронного генератора, конденсаторного фильтра, в конечном счёте, системы в целом.
Кроме того, известна система электроснабжения постоянного тока [П.А. Бачурин, А.В. Гейст, Д.В. Коробков, Д.В. Макаров, А.Н. Решетников, С.А. Харитонов. Система генерирования электрической энергии постоянного тока на базе магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя// Научный вестник НГТУ.- 2015. №2(59).- С. 43-58], являющаяся прототипом предлагаемого изобретения, содержащая трёхфазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов на роторе, к выходам которого подключены три входа переменного тока активного выпрямителя напряжения на базе инвертора напряжения, работающего с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, к выходным зажимам которого параллельно подключены конденсаторный фильтр и нагрузка постоянного тока.
n
Недостатком прототипа является то, что, при широком диапазоне изменения частоты вращения вала синхронного генератора (), невозможно поддерживать высокое значение коэффициента сдвига между током и напряжением синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Кроме этого, при стабилизации выходного напряжения активным выпрямителем напряжения у него существенно изменяется глубина модуляции ШИМ.
Указанные факторы приводят к увеличению массы и габаритов синхронного генератора, конденсаторного фильтра и, следовательно, системы электроснабжения в целом.
Задача изобретения (технический результат) - снижение массы синхронного генератора за счёт уменьшения величины неактивной мощности, потребляемой от него, а также массы конденсаторного фильтра путем снижения амплитуд высокочастотных гармоник в выходном напряжении активного выпрямителя напряжения.
Задача достигается тем, что в известной системе электроснабжения постоянного тока, содержащей трёхфазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов на роторе, к выходам которого подключены три входа переменного тока активного выпрямителя напряжения на базе инвертора напряжения, работающего с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, к выходным зажимам которого параллельно подключены конденсаторный фильтр и нагрузка постоянного тока,  вводятся дополнительная система возбуждения в виде обмотки на статоре генератора и блок регулирования тока возбуждения, выходы которого подключены к дополнительной обмотке, а входы подключены к выходным зажимам активного выпрямителя напряжения.
М
Схема предлагаемой системы электроснабжения постоянного тока приведена на фиг.1. Зависимость коэффициента искажения напряжения  генератора от глубины модуляции представлена на фиг. 2. На фиг. 3 представлена зависимость коэффициента искажения тока () генератора при работе на АВН. На фиг. 4 приведена зависимость глубины модуляции ШИМ () при изменении частоты напряжения генератора в диапазоне  и величины тока нагрузки ().  Схема замещения системы электроснабжения постоянного тока приведена на фиг. 5. Векторная диаграмма для схемы замещения системы электроснабжения постоянного тока приведена на фиг. 6. На фиг. 7 представлен один из возможных вариантов выбора параметров генератора в зависимости от частоты ω. На фиг. 8 представлен график зависимости   от частоты ω для различных значений тока нагрузки   при  .
Система электроснабжения постоянного тока включает синхронный генератор с комбинированным возбуждением (СГК) (1), активный выпрямитель напряжения на базе инвертора напряжения АВН (ИН), работающий с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (2), конденсаторный фильтр КФ (3), нагрузку постоянного тока НПТ (4) и блок регулирования тока (БР) тока возбуждения в дополнительной обмотке (5).
n=var
Выводы 3-х фаз синхронного генератора с комбинированным возбуждением (1) и переменной частотой вращения вала () соединены с тремя входами активного выпрямителя напряжения на базе инвертора напряжения (2), работающего с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Параллельно к выходным зажимам постоянного тока активного выпрямителя напряжения подключён конденсаторный фильтр (3) и нагрузка постоянного тока (4). Выходы a и b блока регулирования (5) подключены к дополнительной обмотке (ОВ), а входы c и d подключены к выходным зажимам постоянного тока активного выпрямителя напряжения.
Предлагаемая система электроснабжения функционирует следующим образом.
n
С помощью первичного двигателя вал СГК вращается с переменной частотой , на выходных его зажимах генерируется 3-х фазное напряжение переменного тока, изменяющееся с циклической частотой (ω). Величина этого напряжения () зависит от частоты ω, величины тока  в ОВ, а также от величины и характера тока .
Выходное напряжение СГК поступает на вход активного выпрямителя напряжения (АВН), работающего с высокочастотной ШИМ. АВН осуществляет стабилизацию выходного напряжения постоянного тока на НПТ при изменении частоты и величины напряжения СГК, также тока нагрузки.
Величина выходного напряжения АВН стабилизируется путём регулирования величины напряжения СГК за счет изменения реактивной составляющей входного тока активного выпрямителя, а также за счёт изменения тока возбуждения  с помощью БР. Необходимо отметить, что регулирование посредством АВН является более быстродействующим, чем регулирование с помощью обмотки возбуждения.
Блок регулирования преобразует постоянное напряжение с зажимов АВН в регулируемый постоянный ток .
S
Масса и габариты СГК в значительной степени определяются потребляемой от него полной мощностью (), величина которой связана с коэффициентом мощности () на зажимах генератора с помощью следующего соотношения
,                             (1)
где
Р
S,
,  – активная, полная и реактивная мощности, отбираемые от синхронного   генератора;
- коэффициент сдвига между напряжением и током основных гармоник генератора;
- действующее значение основных гармоник фазных напряжения и тока;  - действующее значение фазных напряжения и тока генератора;
,  - коэффициенты искажения тока и напряжения  генератора.
Как следует из соотношения (1) избыточная мощность, потребляемая от генератора, будет определяться величиной перетоков между СГК и АВН реактивной мощности , величину которой следует минимизировать. Это возможно при условии, когда , в этом случае .
М
М
Коэффициенты ,  существенно зависят от глубины модуляции ШИМ (), причём они значительно уменьшаются по величине с уменьшением , что наглядно иллюстрируется графиками на фиг.2 и фиг.3. Причём на фиг.3 представлена зависимость коэффициента искажения тока () генератора при работе на АВН, как известно .
М
Таким образом, с точки зрения уменьшения величины реактивной мощности , потребляемой от генератора, следует обеспечить режим работы АВН с . Кроме этого, при малых глубинах модуляции происходит резкое увеличение уровня высокочастотных гармоник в выходном токе активного выпрямителя, что приведёт к увеличению массы и габаритов конденсаторного фильтра.
М
При отсутствии дополнительной обмотки возбуждения в системе с генератором с возбуждением только от постоянных магнитов глубина модуляции ШИМ () при изменении частоты напряжения генератора в диапазоне  и величины тока нагрузки () будет изменяться в широких пределах  (фиг.4). В этом случае происходит значительное изменение коэффициента мощности генератора и, следовательно, увеличиваются перетоки реактивной мощности между генератором и АВН.
Также необходимо отметить, что без дополнительной обмотки возбуждения в системе невозможно с помощью регулирования АВН обеспечить  т.к. при определённых значениях тока нагрузки и частоты напряжения генератора, происходит резкое увеличение тока генератора. Очевидно, это также приводит к возрастанию массы и габаритов генератора.
Применение синхронного генератора с комбинированным возбуждением, т.е. с дополнительной обмоткой возбуждения, позволяет поддерживать во всем диапазоне изменения частоты вращения и тока в нагрузке глубину модуляции практически равной единице. При этом, массогабаритные показатели такой электрической машины незначительно отличаются от аналогичной с возбуждением только от постоянных магнитов.
Возможность поддержания  докажем с помощью следующих рассуждений. Пренебрегая активными потерями в системе, а также учитывая симметричный характер нагрузки и принимая во внимание, что частота ШИМ достаточно велика, для действующих значений основных гармоник токов и напряжений выходной цепи генератора, можно применить схему замещения, приведённую на фиг.5.
L
I
На данном рисунке  – эквивалентная индуктивность фазы генератора,  - действующее значение ЭДС холостого хода генератора, которое можно определить с помощью соотношения , где  - потокосцепление, создаваемое постоянными магнитами,  - потокосцепление, создаваемое обмоткой возбуждения с помощью тока, ,  – ток генератора. Входная цепь АВН представлена в виде зависимого источника напряжения, величина действующего значения основной гармоники которого определяется соотношением , очевидно .
Схеме на фиг.5 соответствует векторная диаграмма, приведённая на фиг.6.
На фиг.6  - действующие значения основных гармоник активной и реактивной составляющей тока генератора. Известно, что
Из схемы на фиг.5 и векторной диаграммы фиг.6 следует соотношение, связывающее токи и напряжения СГК и нагрузки:
.                          (2)
L
В авиационных системах электроснабжения обязательным требованием является обеспечение в нагрузке заданного значения тока короткого замыкания, как правило,  принимается равным или больше трёхкратного номинального тока нагрузки. Величина тока  определяется из соотношения , т.е. при нулевом токе возбуждения. С учётом данного соотношения выбирается необходимая величина индуктивности .
ω
На фиг.7 представлен один из возможных вариантов выбора параметров генератора в зависимости от частоты .
После несложных вычислений можно получить следующие аналитические соотношения, определяющие параметры генератора для рассматриваемого варианта:
(3)
.                                        (4)
M
В соотношении (4) предложен вариант параметрического управления потоком обмотки возбуждения . При этом величина напряжения на нагрузке () определяется АВН с помощью глубины модуляции . При соответствующем выборе параметров можно обеспечить заданную величину  при .
Используя соотношение (2) и принимая во внимание то, что , можно получить зависимость .
На фиг.8 представлен график зависимости  от частоты ω для различных значений тока нагрузки при .
В предлагаемой системе электроснабжения постоянного тока на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением, даже при параметрическом управлении током возбуждения генератора, в номинальном режиме работы системы при  возможно обеспечить практически  точное совпадение фаз основных гармоник тока и напряжения генератора, т.е. . При этом коэффициенты ,  достигают своего максимального значения, т.к. . Это означает, что в такой системе можно существенно минимизировать уровень неактивной мощности, потребляемой от генератора, а следовательно, уменьшить его массу и габариты. Кроме этого, равенство  минимизирует уровень высокочастотных гармоник, протекающих через конденсаторный фильтр, что означает уменьшение его массы и габаритов.
Таким образом, включение дополнительной системы возбуждения в виде обмотки на статоре генератора и блока регулирования тока возбуждения позволяет уменьшить массу синхронного генератора и конденсаторного фильтра в звене постоянного тока за счёт уменьшения величины неактивной мощности, циркулирующей между синхронным генератором и активным выпрямителем напряжения, а также между конденсаторным фильтром и активным выпрямителем напряжения и, кроме этого, увеличивает их рабочий ресурс.