Адаптивная стартер-генераторная система
ADAPTIVE STARTER-GENERATOR SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, дизель - генераторов и ветро-генераторов с переменной частотой вращения вала генератора, системы электроснабжения речных и морских судов, а также наземные транспортные средства различного назначения, в которых для достижения высокого качества генерируемой электрической энергии применяются статические преобразователи электрической энергии.
Как правило, это первичные системы электроснабжения (СЭС) с генерируемой мощностью сотни и тысячи киловатт с большой перегрузочной способностью и с высокими токами короткого замыкания. В таких СЭС перспективным представляется применение непосредственных преобразователей частоты с естественной коммутацией. Тиристоры с неполным управлением, используемые в этом типе преобразователя в качестве силовых ключей, обладают большой переключаемой мощностью и имеют большую перегрузочную способность. Сочетание в системе электроснабжения такой схемы преобразователя частоты с синхронным генератором, с возбуждением от постоянных магнитов, позволяет создавать мощные каналы генерирования электрической энергии переменного тока стабильной частоты со значительной перегрузочной способностью и возможностью генерирования больших токов короткого замыкания. При этом следует отметить, что мощность стартёрного запуска первичного двигателя в ряде применений не превышает 20% процентов от максимальной мощности в режиме генерирования.
При построении СЭС для автономных объектов важным является совмещение функций режима стартёрного запуска первичного двигателя и режима генерирования электрической энергии в одном агрегате.
Совмещённая стартер-генераторная система (СГС) позволяет повысить надёжность, а также улучшить массогабаритные показатели автономных объектов в целом за счёт отказа от большого числа быстро изнашиваемых частей оборудования автономных объектов. Такой уровень интеграции систем генерирования и электростартерного запуска позволяет наделить систему электроснабжения функциями адаптивных систем, появляются свойства так называемых «умных» электрических сетей («Smart Grid»).
Известна стартер-генераторная система [Стартер-генераторная система для вспомогательной силовой установки/Левин А.В., Халютин С.П., Давидов А.О., Жмуров Б.В. и др.//Научный вестник МГТУ ГА. - 2017. - № 05, Том 20. - С.50-66], содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединённых двунаправленного DC-DC преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и ёмкостным делителем на входе DC-DC преобразователя, и двунаправленного AC-DC преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-ёмкостным фильтром на входе AC-DC преобразователя.
Данная система обладает недостатком, который заключается в том, что система не может работать от синхронного генератора с переменной частотой вращения вала.
Кроме того, известна стартер-генераторная система [Пат. 2713390 Российская Федерация, МПК H02J 7/34 Адаптивная стартер - генераторная система для летательных аппаратов/ Дубкова Р.Ю., Харитонов С.А., Жарков М.А., Коробков Д.В.; заявитель и патентообладатель Новосибирский Государственный Технический Университет. - № 2019115319,; заявл. 2019.05.20; опубл. 2020.02.05, Бюл. № 4.], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая m-фазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, m-фазный по входным зажимам преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключён к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам трехфазного AC-DC преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключён к зажимам двунаправленного DC-DC преобразователя, последовательно соединённого с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока.
Недостатком прототипа является то, что непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией при работе от синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов при переменной частоте вращения его вала имеет низкое значение входного коэффициента мощности [Харитонов С.А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов: монография / С.А. Харитонов - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 536 с. (Серия «Монографии НГТУ»).]. Кроме этого, в режиме электростартерного запуска от сети постоянного тока система имеет большие электрические потери за счёт последовательного включения трёх преобразователей электрической энергии, что приводит к увеличению массы и габаритов синхронного генератора и источника постоянного тока.
Задача (технический результат) изобретения - снижение массы синхронного генератора за счёт уменьшения величины неактивной мощности потребляемой от него, а также повышение коэффициента полезного действия в режиме электростартерного запуска от сети постоянного тока, повышение надежности обеспечения режимов генерирования и электростартерного запуска за счет реализации адаптивного характера построения системы.
Задача достигается тем, что в известной стартер-генераторной системе, содержащей m-фазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, m-фазный по входным зажимам преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключён к трёхфазной нагрузке переменного тока и к зажимам трехфазного AC-DC преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключён к зажимам двунаправленного DC-DC преобразователя, последовательно соединённого с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока, к выходным зажимам синхронного генератора подключён m-фазный AC-DC преобразователь, построенный на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключён параллельно к выходным зажимам в звене постоянного тока трехфазного AC-DC преобразователя.
Схема предлагаемой адаптивной стартер-генераторной системы приведена на чертеже. Адаптивная стартер-генераторная система включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов (СГ) (1), статический двунаправленный полупроводниковый преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты (2), трехфазный двунаправленный инвертор напряжения (3), m-фазный двунаправленный инвертор напряжения (4), двунаправленный DC-DC преобразователь (5), аккумуляторную батарею (АБ) (6), нагрузку постоянного тока (7), нагрузку переменного тока (8).
n = var
Выводы m фаз синхронного генератора (1) с переменной частотой вращения вала () соединены с m входами непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2). Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией (2) формирует трёхфазное напряжение и состоит из трёх одинаковых по топологии вентильных комплектов (ВК А, ВК B, ВК C), m входов каждого из вентильных комплектов соединены с одноименными m выходами синхронного генератора (1). Выходы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2) соединены с выходами трехфазного двунаправленного инвертора напряжения (3) и нагрузкой переменного тока (8). Трехфазный двунаправленный инвертор напряжения (3) содержит три одинаковых по топологии стойки вентилей с обратными диодами. Выход трехфазного двунаправленного инвертора напряжения в звене постоянного тока соединён с аналогичным выходом m-фазного инвертора напряжения (4) и с выходом двунаправленного DC-DC преобразователя (5). m-фазный двунаправленный инвертор (4) содержит m одинаковых по топологии стойки вентилей с обратными диодами, выход каждой из которых соединён с одноименными m выводами синхронного генератора (1). Входные зажимы DC-DC преобразователя (5) соединены с зажимами аккумуляторной батареи (6) и с нагрузкой постоянного тока (7).
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
Существует два основных (штатных) режима функционирования: 1) режим электростартерного запуска первичного двигателя (ПД) с помощью синхронного генератора, переведённого в двигательный режим; 2) режим генерирования электрической энергии. В этом режиме нагрузка переменного тока получает электрическую энергию от синхронного генератора, предварительно преобразованную до необходимых качественных показателей, с помощью непосредственного преобразователя частоты.
d
d
Режим электростартерного запуска синхронного генератора в предложенной адаптивной стартер-генераторной системе осуществляется от источника постоянного или переменного тока. В первом варианте режима электростартерного запуска электроэнергия отбирается от АБ через двунаправленный DC-DC преобразователь и m-фазный инвертор напряжения, который формирует m-фазное выходное напряжение, переменное по величине и частоте, таким образом, чтобы синхронный генератор работал в режиме электродвигателя. Электроэнергия поступает на якорную обмотку стартера, функцию которого выполняет СГ. При этом двунаправленный DC-DC преобразователь формирует постоянное напряжение U и ток I , требуемые для электростартерного запуска.
Исключение из контура электростартерного запуска непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет уменьшить электрические потери, т.о. повышается КПД режима электростартерного запуска по сравнению с аналогичным режимом, реализованном в прототипе. Это позволяет уменьшить энергоёмкость АБ или увеличить количество попыток электростартерного запуска, что либо уменьшает массу и габариты СГС, либо повышает надёжность электростартерного запуска первичного двигателя.
В случае режима электростартерного запуска от источника переменного тока используется специальный источник трёхфазного переменного тока, который не входит в состав автономного объекта. Этот источник подключается к зажимам непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, работающий в обращённом режиме и выполняющий функцию частотного регулирования синхронного генератора, переведённого в двигательный режим работы.
После запуска двигателя стартер-генератор автоматически переключается в режим генерирования электрической энергии и работает как источник электроэнергии автономного объекта. Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией выполняет функцию стабилизации выходного напряжения по амплитуде и частоте для потребителей переменного тока автономного объекта.
В режиме генерирования электрической энергии m-фазный двунаправленный инвертор напряжения и двунаправленный DC-DC преобразователь работают параллельно с бортовой электросетью постоянного тока, например, 27 В и осуществляют заряд аккумуляторной бортовой батареи до требуемого уровня напряжения. В случае отказа аккумуляторной батареи обеспечивается электропитание нагрузок постоянного тока. В этом случае трехфазный двунаправленный инвертор напряжения выполняет функцию активного выпрямителя.
Адаптационный характер стартер-генераторной системы, повышающий надежность обеспечения режимов генерирования и электростартерного запуска, определяется тем, что в нештатных ситуациях, т.е. при отказе некоторых устройств СГС электроснабжение нагрузок переменного и постоянного тока сохраняется за счёт перенаправления потоков энергии.
Так, в случае отказа непосредственного преобразователя частоты, электропитание нагрузок переменного тока осуществляется с помощью трехфазного и m-фазного двунаправленных инверторов напряжения. Источником электроэнергии является синхронный генератор. При этом трехфазный двунаправленный инвертор работает в режиме инвертирования, а m-фазный в режиме активного выпрямления.
При отказе синхронного генератора, частичное электропитание нагрузок переменного тока сохраняется, при этом источником электроэнергии является аккумуляторная батарея. В этом случае поток энергии направлен от АБ через двунаправленный DC-DC преобразователь и трехфазный двунаправленный инвертор напряжения, который формирует трехфазное напряжение
При отказе АБ электропитание нагрузок постоянного тока осуществляется путём отбора мощности от синхронного генератора с помощью m-фазного двунаправленного инвертора напряжения и DC-DC преобразователя - основной сценарий электропитания в данном нештатном режиме. Однако есть и второй сценарий электропитания при отказе m-фазного двунаправленного преобразователя. В этом случае энергия постоянного тока генерируется с помощью трехфазного двунаправленного инвертора напряжения и DC-DC преобразователя, путём преобразования электрической энергии переменного тока, поступающей от непосредственного преобразователя частоты.
Адаптация СГС возможна и в режиме электростартерного запуска ПД. Так, в случае отказа m-фазного двунаправленного преобразователя, электростартерный запуск возможен с использованием энергии АБ путём её преобразования в переменный ток с помощью трехфазного двунаправленного инвертора напряжения. В этом случае на выходные зажимы непосредственного преобразователя частоты подаётся трёхфазное напряжение переменного тока со входа трехфазного двунаправленного инвертора напряжения. Непосредственный преобразователь частоты в этом случае работает в обращённом режиме и выполняет функцию частотного регулирования синхронного генератора, работающего в режиме электрического двигателя.
Таким образом, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией и двух двунаправленных инверторов напряжениям с двунаправленным DC-DC преобразователем позволяет расширить функциональные возможности и надежность стартер-генераторных систем для автономных объектов. Это придает им адаптивный характер за счет обеспечения генерации переменного тока постоянной частоты и постоянного тока, при переменной частоте вращения вала синхронного генератора, и осуществления электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока.