КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ДВУМЯ ЦЕНТРАМИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
COMBINED DEVICE FOR CONTROL OF POWER TRANSMISSION BETWEEN TWO CENTRES OF DC NETWORK AND SUPPLY OF AC MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к комбинированному устройству для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и для питания двигателя переменного тока и может быть использовано, в частности, в сетях постоянного тока на борту летательного аппарата, а также в любых типах бортовых сетей (морское судно, автомобиль и т.д.) и даже в других, не бортовых сетях, например в стационарных сетях (локальная сеть постоянного тока, железнодорожная сеть и т.д.).
Для простоты изложения в дальнейшем описание изобретения ограничивается использованием только в области авиационных бортовых сетей.
Уровень техники
Интерес к передаче энергии по линии постоянного тока в бортовых сетях в основном связан с развитием электронных силовых систем, в частности, с увеличением числа установленных на борту самолета электромеханических приводов. Большинство этих приводов, управляемых и питаемых при помощи преобразователей постоянного тока, требуют наличия каскада постоянного напряжения. Однако такой каскад получают на основе классической переменной сети с использованием преобразования переменного тока в постоянный.
Все используемые блоки преобразования можно заменить централизованным распределением энергии: это распределение может быть полным прямым распределением (сеть высокого постоянного напряжения или HVDC) или частичным прямым распределением (смешанная сеть переменного/постоянного напряжения).
Однако применение таких постоянных сетей связано со многими техническими проблемами, в частности, с необходимостью обеспечения стабильности этих сетей независимо от типа силовой нагрузки.
Чтобы обеспечить достаточное качество напряжения для каждого прибора, подключенного к такой постоянной сети, и отфильтровать гармонические частоты, генерируемые этими приборами, можно использовать, например индуктивно-емкостной фильтр типа L/C (L - индуктивность; С - емкость), установленный на входе прибора. В современных сетях постоянного тока подключенные нагрузки часто управляются силовыми электронными устройствами управления, которые в шкале граничных частот фильтра потребляют почти постоянную мощность. Такое явление является тем более очевидным, учитывая, что регулирование подключенного прибора происходит динамически. Однако входной фильтр, помещенный между источником постоянного тока и регулируемым преобразователем постоянного тока, в этом случае может входить в состояние колебания во время подачи мощности. Чем больше соотношение L/C, что, в частности, происходит, когда прибор подключают к кабелю большой длины, тем больше колебания напряжения на контактах конденсатора фильтра.
В документе «Méthode d'etude de la stabilite des ensembles convertisseurs-filtres» de Philippe Barrade, Hubert Piquet, et Yvon Cheron (Journal de Physique III, vol.6, pages 91 á 104 janvier 1996), далее - [1] показано, что любая система, образованная фильтром, нагружаемым преобразователем постоянного тока, и потребляющая постоянную мощность в динамическом диапазоне фильтра, является потенциально нестабильной системой.
Архитектуры современных сетей переменного тока предполагают подключение всех приборов к единому «центру» по линиям, которые могут достигать большой длины и становиться в этом случае высокоимпедансными.
«Центром» является узел соединения источник-нагрузка, содержащий защитные и контактные элементы, напряжение (в данном случае постоянное) которого стабилизируется внешним элементом. Центр может быть соединен с источником энергии: блок генератора переменного тока и выпрямителя («связанный центр»). Он может быть также соединен только с одним источником энергии (аккумулятор) или просто с одним или несколькими другими центрами («несвязанный центр»).
Учитывая упомянутые выше явления потенциальной нестабильности и усиление этих явлений при использовании кабелей большой длины, нецелесообразно переносить архитектуру сетей постоянного тока на архитектуру сетей переменного тока.
В документах «Subsystem interaction analysis in power distribution System of next génération airlifters» de Sriram Chandrasekaran, Douglas K. Lindner, Konstantin Louganshi, et Dushan Boroyevich (European power electronics conférence, Lausanne, Suisse, 7-9 septembre 1999, pages 1-6), далее - [2] и «An active bus conditioner for a distributed power System» de Kun Xing, Jinghong Guo, Wenkang Huang, Dengming Peng, Fred C. Lee et Dusan Borojevic (Power Electronics Specialists Conférence, pages 895-900, 1' PESC 99. 30-th Annual IEEE), далее - [3] описаны два известных технических решения, целью которых является снижение опасности нестабильности.
В первом из этих документов описана бортовая система распределения мощности для самолета в рамках инициативы МЕА ("More Electric Aircraft" или «Более электрический самолет»). Большинство нагрузок, включая исполнительные устройства, регулируются с использованием двунаправленных силовых преобразователей, которые контролируют и согласовывают мощность при помощи постоянной шины. В этом документе анализируется потеря стабильности в случае больших возмущений, чтобы показать преимущество нелинейного метода анализа стабильности.
Во втором из этих документов описано устройство согласования активной постоянной шины для системы распределения мощности, которое компенсирует гармонический и реактивный ток на постоянной шине и активно ослабляет колебания в силовой системе постоянного тока.
Задачей настоящего изобретения является совмещение двух функций:
а) снижение рисков нестабильности путем размещения между двумя центрами, находящимися в разных зонах системы, и, следовательно, разделенных большими расстояниями, силовой и управляющей электроники, которая может управлять передачей мощности между этими центрами, обеспечивая качество и подачу этой мощности как в нормальном, так и в аварийном режиме (отключение источника, перегрузка мощности на центре и т.д.).
б) питание двигателя переменного тока.
Раскрытие изобретения
Объектом настоящего изобретения является устройство, сочетающее в себе две функции: управление передачей мощности между двумя центрами (узлами) сети постоянного тока; и управляемое питание двигателя переменного тока.
Согласно настоящему изобретению устройство содержит:
- блок из двух трехфазных инверторов, каждый из которых содержит три коммутационных элемента, соединенные с указанным двигателем, при этом двигатель содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами,
- модуль управления этим блоком, одновременно обеспечивающий передачу энергии на постоянном токе, стабилизацию постоянного напряжения на одном из двух центров и управление двигателем.
Предпочтительно каждый коммутационный элемент состоит из двух ключей, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току. Каждый ключ может содержать транзистор, связанный с диодом по встречной схеме.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие преимущества:
- оно позволяет проектировать архитектуры многозвенных сетей с децентрализованными центрами и обеспечивать стабильность этих сетей, сводя к минимуму длину кабелей между стабилизированными узлами напряжения (центрами) и приборами, даже если речь идет о дестабилизирующих нагрузках, потребляющих почти постоянную мощность;
- оно осуществляет в нормальном режиме регулируемую передачу мощности между двумя центрами, позволяя распределять и балансировать поток мощности сети или сетей. Стабильность тока обеспечивается, благодаря соединению, управляемому по току, даже если длина кабелей между центрами является большой и присутствуют контуры, которые могут быть колебательными. Таким образом, режимы соединения/отсоединения центров являются стабильными и «бесперебойными»;
- в нормальном режиме оно может выполнять роль «стабилизатора напряжения» центра, не соединенного с источником энергии;
- в аварийном режиме (например, при отказе источника) оно может выполнять функцию «стабилизатора напряжения» центра, соединенного с неисправным источником, после отсоединения центра от этого источника;
- оно не требует наличия дополнительных индуктивностей, поскольку использует индукционные обмотки двигателя переменного тока, при этом на функцию питания не влияет или лишь незначительно влияет большая длина кабеля;
- напряжение, подаваемое дифференцирование на шесть контактов трех обмоток двигателя переменного тока, удваивается по сравнению с напряжением, поступающим от центра, что позволяет уменьшить ток при одинаковой мощности и рассчитать оптимальные размеры двигателя переменного тока;
- повышение затрат на кремний ничтожно по сравнению с классической функцией привода при одинаковой мощности.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано комбинированное устройство управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и питания двигателя переменного тока в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 изображена архитектура бортовой сети с децентрализованным центром в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 показан пример выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4А-4D изображены временные диаграммы, полученные для примера выполнения, показанного на фиг.3, на которых показаны, соответственно, токи в двигателе IM, напряжения шин VB, токи шин IB1 и токи нагрузки IC1 в зависимости от времени.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показано комбинированное устройство 10 управления передачей мощности между двумя центрами 42 и 46 сети постоянного тока и питания двигателя 13 переменного тока в соответствии с настоящим изобретением.
Устройство содержит:
- блок 19 из двух трехфазных инверторов 14 и 15, каждый из которых содержит по три коммутационных элемента 16, 17, 18 и 20, 21, 22, соединенных с двигателем 13, как показано на фиг.3. При этом каждый коммутационный элемент содержит два ключа, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току, например, в виде транзистора, связанного с диодом по встречной схеме, а двигатель 13 переменного тока содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами,
- модуль 23 управления этим блоком 19, который обеспечивает одновременно передачу энергии на постоянном токе, стабилизацию постоянного напряжения на одном из двух центров 42 и 46 и управление двигателем.
Управление коммутационными элементами 16, 17, 18 и 20, 21, 22 обеспечивает почти мгновенное управление током на линии, соединяющей оба центра 42 и 46, при времени реагирования порядка величины нескольких периодов коммутации соответствующих элементов в устройстве (обычно несколько миллисекунд).
Такое управление позволяет:
- осуществить регулирование передачи мощности между двумя центрами 42 и 46 в нормальном режиме работы, а также в случае неисправности связанного с одним из них генератора, причем передача мощности может происходить как от одного из двух центров к другому, так и наоборот;
- регулировать и балансировать мощность, выдаваемую генераторами и поступающую на центры;
- обеспечивать стабильность напряжения, поступающего на уровень центров 42 и 46, за счет соответствующего управления коммутационными элементами устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением выполняет несколько функций, одновременно обеспечивая:
- регулируемую передачу энергии на постоянном токе,
- контроль и стабилизацию постоянного напряжения одного из двух центров 42 или 46,
- питание и управление двигателем переменного тока.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено, в частности, для управления и контроля над обменом энергии между двумя децентрализованными центрами, которые имеют фундаментальный признак типа «источника напряжения» (по меньшей мере, в моментальном режиме), который может быть подтвержден, в случае необходимости, наличием набора конденсаторов.
На фиг.2 показана архитектура на борту самолета 34 с децентрализованными центрами 30, 31, 32 и 33, в которой между двумя соседними центрами установлено, соответственно, несколько устройств 35, 36, 37, 38 и 39 согласно настоящему изобретению.
Далее будет рассмотрена каждая из функций устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Регулируемая передачи мощности
Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет равномерно распределять мощность, потребляемую потребителями сети, между генераторами переменного тока.
На фиг.1 показано распределение потребляемой мощности между двумя генераторами 40 и 41 переменного тока.
Первый генератор 40 соединен с первой шиной 42 распределения (первый центр) через первый модуль 43 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой распределительной шиной 42 соединена первая нагрузка 44 через первый модуль 45 преобразования постоянного тока в постоянный.
Второй генератор 41 соединен со второй шиной 46 распределения (второй центр) через второй модуль 47 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой второй распределительной шиной 46 соединена вторая нагрузка 48 через второй модуль 49 преобразования постоянного тока в постоянный.
Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением, которое установлено между двумя распределительными шинами (центрами) 42 и 46, позволяет сбалансировать мощность, выдаваемую двумя генераторами 40 и 41. Когда на одном из центров 42 или 46 появляется колебание нагрузки, наименее нагруженный генератор направляет через устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением часть мощности, необходимой для питания нагрузок 44, 48 и 50.
При нормальной работе мощность, распределяемую между генераторами 40 и 41, можно рассчитать в зависимости от общей суммы мощностей потребляющих элементов, а не от суммы мощностей потребляющих элементов, связанных только с одним отдельным генератором. Таким образом, можно зафиксировать и контролировать рабочую точку этих генераторов 40 и 41. Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением работает наподобие электронного «крана», который может регулировать передачу мощности даже при наличии колебаний напряжения питающего его источника.
Контроль и стабилизация напряжения
Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет питать несвязанный центр от связанного центра или управлять изменением конфигурации сети в случае выхода из строя одного или нескольких источников питания.
В случае неисправности одного из генераторов 40 или 41 переменного тока устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществлять передачу мощности в часть сети, находящуюся со стороны неисправного генератора, и контролировать переходные явления и колебания, которые могут произойти.
Управление двигателем переменного тока
Как показано на фиг.3, электрический двигатель 13 дифференцированно подключен между двумя инверторами 14 и 15, соединенными с двумя выпрямительными блоками 11 и 12.
Это решение позволяет получать напряжение питания этого двигателя 13, удвоенное по сравнению со случаем, когда питание осуществляется при помощи только одного инвертора напряжения. Этот вариант работы является классическим, и управление двумя инверторами 14 и 15 для обеспечения необходимой производительности двигателя 13 известно специалистам.
Если два центра 42 и 46 находятся друг от друга на большом расстоянии, каждый инвертор 14 или 15 необходимо устанавливать вблизи центра, с которым он соединен. В этом случае индуктивности кабелей (не показаны) соединены с обмотками двигателя 13 последовательно.
Таким образом, обмотки двигателя 13 используют в качестве средства для обеспечения циркуляции униполярной составляющей тока в трех фазах инверторов, являющейся средством передачи мощности между центрами.
Контроль этой униполярной составляющей, который осуществляют при помощи управления инверторами, позволяет:
- осуществить регулирование передачи мощности между двумя центрами 42 и 46 в нормальном режиме работы, а также в случае неисправности связанного с одним из них генератора, причем для этой передачи мощности нет приоритетного направления, и она может происходить как от одного из двух центров к другому, так и наоборот;
- регулировать и, в частности, балансировать мощность, выдаваемую генераторами 40 и 41 и поступающую на центры;
- обеспечивать стабильность напряжения, поступающего на уровень центров 42 и 46, за счет соответствующего управления двумя инверторами 14 и 15.
Если между двумя центрами не происходит обмена энергией, двигатель 13 питается нормально и выполняет классическую функцию привода. Если необходим обмен энергией, от одного центра к другому может предаваться регулируемая мощность. В этом случае на переменные токи двигателя 13 накладывается униполярная составляющая тока. В рамках управления функции могут быть разделены очень легко и очень просто с использованием преобразования Парка. Действительно, управление (момент, скорость и т.д.) приводом классически осуществляют путем управления токами (оси d, q), тогда как функции передачи мощности и стабилизации напряжения «накладываются друг на друга» за счет простого управления униполярным током (ось 0). Таким образом, в данном случае используют все степени свободы трехфазной системы.
Таким образом, благодаря структуре устройства в соответствии с настоящим изобретением, пока общий ток (постоянный + переменный) остается меньше максимально допустимого тока для выключателей, и благодаря наличию двигателя 13, последний питается в нормальных (не ограниченных) условиях работы, и обмен мощностью между двумя сетями является для двигателя прозрачным. Если достигается максимально допустимое значение тока и приоритет переходит к функциям передачи мощности и стабилизации напряжения (приоритетной становится постоянная составляющая), необходимо уменьшить переменную составляющую тока в двигателе: в этом случае функция привода снижается.
Пример выполнения
Двигатель 13 устройства в соответствии с настоящим изобретением отличается максимальной работой при фазовом токе Imax с амплитудой 150 А, как показано на фиг.4А. Стратегия управления инверторами 14 и 15 требует никогда не превышать это значение, чтобы обеспечить безопасность двигателя 13 и инверторов 14 и 15. Эта стратегия не является обязательной характеристикой в структуре устройства в соответствии с настоящим изобретением и представлена в данном случае только в качестве примера. Ввод униполярной составляющей, которая выражается постоянной составляющей Icont в трех фазах двигателя, происходит в данном случае в ущерб амплитуде синусоидальной составляющей фазовых токов, как показано на фиг.4А (таким образом, неизбежным следствием этого выбора является снижение механической мощности, выдаваемой двигателем).
Определение униполярной составляющей тока, который проходит через устройство в соответствии с настоящим изобретением, в данном случае обусловлено задачей уравновешивания мощности, выдаваемой двумя генераторами 40 и 41. О достижении этой цели можно судить из второй части (фазы 3 и 4) на фиг.4С, соответствующей нормальной работе, где показаны токи Idc1 и Idc2, отражающие мощности, выдаваемые двумя генераторами 40 и 41.
Нагрузка 44 центра 42 характеризуется непрерывным потребляемым током Ich1, как показано на фиг.4D. Нагрузка 48 центра 46 характеризуется пульсирующим потребляемым током Ich2, как показано на фиг.4D.
Изначально оба генератора 40 и 41 являются работающими. В момент t1=20 мс предполагается, что генератор 41 оказался неисправным и не может обеспечить питание центра 46 необходимой мощностью. На фиг.4С показано отключение тока питания Idc2.
В этом случае вся мощность выдается генератором 40. Сохранение напряжения на центре 46 Vdc2 обеспечивается переходом инвертора 15 в режим выпрямителя. На фиг.4В показано изменение напряжения на двух центрах 42 (Vdc1) и 46 (Vdc2).