Устройство защиты от короткого замыкания высокотемпературного стартер-генератора обращённой конструкции
SHORT-CIRCUIT PROTECTION DEVICE OF HIGH-TEMPERATURE STARTER-GENERATOR OF REVERSE STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к области электрических машин, интегрированных в авиационный двигатель, в частности, к интегрированным высокотемпературным стартер-генераторам обращенной конструкции переменного тока и, конкретно, к устройству защиты от короткого замыкания для использования в генераторе переменного тока для защиты от короткого замыкания.
Известно устройство защиты от короткого замыкания генератора переменного тока [патент РФ №2399137, H02H 7/06, опубликовано 10.09.2010], установленное в генераторе переменного тока для управления током возбуждения, создаваемым обмоткой возбуждения генератора переменного тока, содержащее: пусковой переключатель, электрически соединенный с обмоткой возбуждения и работающий так, что включение/выключение пускового переключателя соответствует пропусканию/отсечке тока возбуждения; датчик, имеющий узел токового входа и узел токового выхода, соответственно электрически соединенные с пусковым переключателем и потенциалом заземления, при этом датчик пропускает ток возбуждения, когда пусковой переключатель включен; цепь усиления, содержащая входной конец и выходной конец, при этом входной конец электрически присоединен к узлу токового входа датчика, при этом, когда потенциал на упомянутом входном конце повышается, потенциал на выходном конце также повышается, когда потенциал на входном конце падает, потенциал на выходном конце остается неизменным; и отсекающее устройство, содержащее верхний проводящий конец, нижний проводящий конец и управляющий конец, которые соответственно и электрически соединены с пусковым переключателем, потенциалом заземления и выходным концом цепи усиления, при этом, когда потенциал на управляющем конце достигает заранее определенного критического потенциала, верхний проводящий конец входит в электрическое соединение с нижним проводящим концом.
Недостатками данного устройства является сложность конструкции, установка на обмотку возбуждения пускового переключателя, что, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям и увеличению массогабаритных показателей.
Известно устройство для защиты генератора переменного тока от короткого замыкания в системе электроснабжения с резервированием [авторское свидетельство СССР №1017146, кл. H02H 7/06, 27.08.2004 г.], содержащее контактор для подключения генераторов к шинам, блок трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, блок трансформаторов тока в цепи нагрузки, полупроводниковые диоды по числу фаз генератора и исполнительный элемент, вход которого подключен к выходу однополупериодного выпрямителя, образованного диодами и встречно-включенными вторичными обмотками блоков трансформаторов тока, вторичные обмотки блоков трансформаторов тока, шунтированные диодами, при этом по отношению к диодам выпрямителя диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, включены согласно, а диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи нагрузки, - встречно.
Основным недостатком такого устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что применение данного устройства невозможно в магнитоэлектрических генераторах.
Известно устройство для защиты магнитоэлектрического генератора [патент США №4950973, кл. H02P 9/10, 21.08.1990 г.], содержащее генератор с постоянными магнитами, первую, вторую и третью выходные клеммы, блок защит, содержащий первую, вторую и третью пару электрических контактов, и первую, вторую, третью обмотку статора. Первая обмотка статора электрически соединена между первой парой электрических контактов и нейтральной точкой, вторая обмотка статора электрически соединена между второй выходной клеммой и нейтральной точкой; третья обмотка статора электрически соединена между третьей парой электрических контактов и нейтральной точкой, третья обмотка статора содержит средства для открытия и закрытия первой и второй пары электрических контактов в ответ на сигнал управления.
Недостатком этой конструкции является ограниченность эксплуатационного ресурса обмотки статора, вызванная тем, что при коротком замыкании обмотка статора магнитоэлектрического генератора целиком подвергается воздействию тока короткого замыкания, и ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что управляющий сигнал определяется только значением силы тока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания [патент РФ №2498473, C1 МПК H02H 7/06, 10.11.2013], содержащее генератор с постоянными магнитами, при коротком замыкании которого происходит разделение каждой обмотки магнитоэлектрического генератора на части: правую и левую посредством блока защит. Для этого устройство по первому объекту содержит магнитоэлектрический генератор, первую, вторую, третью выходные клеммы, первую, вторую, третью обмотки статора, блок защит, первую вторую, третью пары отключающихся контактов, датчики температуры, при этом каждая обмотка статора разделена на правую и левую части блоком защит, первую пару, вторую, третью пару электрических контактов, выполненных в виде полупроводниковых вентилей.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и использование полупроводниковых элементов, диапазон рабочих температур которых (-50…+150°С) не позволяет осуществлять интегрирование генератора в авиационный двигатель (до 450°С).
Задача изобретения - защита от короткого замыкания интегрированного в авиационный двигатель стартер-генератора обращенной конструкции без дополнительной электроники, а также снижение массогабаритных показателей.
Технический результат - защита от короткого замыкания стартер-генератора обращенной конструкции в составе газотурбинного двигателя в температурном режиме до 450°С за счет механического расцепления статора с неподвижным стержнем, сопровождающееся падением статора в радиальном направлении до механического сцепления железа статора с постоянными магнитами ротора за счет магнитных сил притяжения.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в устройстве защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора, содержащем магнитоэлектрический генератор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с расположенными в нем обмотками, блок защиты, согласно изобретению магнитоэлектрический генератор выполнен в виде стартер-генератора обращенной конструкции с постоянными магнитами, состоящего из двух модулей, каждый модуль содержит ротор и статор, на каждом модуле установлен электромеханический разъединитель, выполняющий функцию блока защиты, причем роторы каждого модуля установлены со смещением на 60 градусов друг относительно друга с возможностью формирования шестифазной системы, при этом обмотки статоров обоих модулей выведены на один общий 12-пульсный выпрямитель с возможностью отключения каждой фазы от выпрямителя, а между лобовыми частями обмоток статора каждого модуля установлены огнестойкие прокладки.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен общий вид высокотемпературного стартер-генератора обращенной конструкции. На фигуре 2 - устройство защиты от короткого замыкания в составе высокотемпературного стартер-генератора обращенной конструкции.
Предложенное устройство содержит (фиг. 1) статор 1 с обмотками, вал 2, с расположенными на нем постоянными магнитами 3, электромеханический разъединитель 4, (фиг. 2) неподвижный стержень 5, огнестойкие прокладки 6 установлены между лобовыми частями обмоток статора 1. Стартер-генератор обращенной конструкции состоит из двух модулей (фиг. 1), оба вала 2 каждого модуля соединены с ободом авиационного двигателя (на чертеже не обозначена) и установлены со смещением на 60 градусов друг относительно друга для формирования шестифазной системы. Обмотки статора 1 обоих модулей выведены на один общий 12-пульсный выпрямитель 7 с возможностью отключения каждой фазы от выпрямителя 7.
Предложенное устройство работает следующим образом: при возникновении виткового короткого замыкания в стартер-генераторе обращенной конструкции срабатывает электромеханический разъединитель 4, происходит расцепление статора 1 с неподвижным стержнем 5, сопровождающееся падением статора до механического сцепления железа статора с постоянными магнитами 3 ротора за счет магнитных сил притяжения.
Подобная конструкция позволит при появлении виткового короткого замыкания в одном модуле прекратить электромеханическое преобразование энергии в нем за счет механического сцепления статора 1 и ротора, состоящего из вала 2 с постоянными магнитами 3. При этом, отключив обмотки одного модуля от выпрямителя, сохраняется работоспособность системы электроснабжения летательного аппарата, так как работоспособность второго модуля не нарушается. Это обеспечивает нормальное функционирование системы электроснабжения летательного аппарата при аварийных режимах стартер-генератора без увеличения его массогабаритных показателей. Оба модуля являются трехфазными электрическими машинами с постоянными магнитами с внешним ротором, спинка ротора крепится на обод из Inconel 718 или титана, который является частью авиационного двигателя.
Заявленное изобретение позволяет повысить эксплуатационный ресурс обмотки статора благодаря механическому расцеплению статора с жестким креплением авиационного двигателя, сопровождающемуся падением статора в радиальном направлении до механического сцепления железа статора с постоянными магнитами ротора за счет магнитных сил притяжения.
Таким образом обеспечивается защита от короткого замыкания, высокотемпературного стартер-генератора обращенной конструкции, а также снижаются его массогабаритные показатели и повышается надежность его работы.