Автономная система электроснабжения с электрозапуском силовой установки

Устройство относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначено для использования в качестве автономной системы электроснабжения транспортных и, стационарных электротехнических комплексов, в частности - полностью электрифицированных самолетов.
Известна автономная система электроснабжения с электрозапуском силовой установки (аналог), содержащая распределительные устройства постоянного тока низкого и высокого напряжений переменного тока стабильной и переменной частоты (115 В, 400 Гц; 220 В, 50 Гц; 115 В, 360…720 Гц). Все каналы генерирования связаны между собой преобразователями энергии на базе инверторных стоек с MOSFET-модулями. Электростартерный запуск осуществляется путем подключения внешнего источника электроэнергии к любому из распределительных устройств (например: 220 В, 50 Гц; ±270 В; 115 В, 400 Гц; 27 В). (Электрический самолет: концепция и технологии / А.В. Левин, С.М. Мусин, С.А. Харитонов, К.Л. Ковалев, А.А. Герасин, С.П. Халютин: под ред. С.М. Мухина: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т - УФА: УГАТУ. 2014. - 388 с., стр. 129, рис. 3.37).
К недостаткам указанной автономной системы электроснабжения с электрозапуском силовой установки относятся: избыточное взаиморезервирование каждого из магистральных каналов электропитания и электрозапуска, требующее большого числа статических инверторно-выпрямительных преобразователей и как следствие - большие масса и габариты системы в целом.
Из известных устройств наиболее близкой по технической сути к предлагаемой системе является автономная система электроснабжения с электрозапуском силовой установки (прототип), содержащая: силовую установку с приводным валом, магнитоэлектрический стартер-генератор с постоянными магнитами на роторе и трехфазной якорной обмоткой на статоре, подключенной через контактор к распределительному устройству переменного напряжения с нестабильными параметрами, трехфазный балластный индуктивно-емкостный фильтр, дифференциальную двухконденсаторную фильтровую стойку, мостовой обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, состоящий из трех фазных электронно-ключевых стоек с обратными диодами, а также блок управления. (Ф.Р. Исмагилов, М.А. Киселев, В.Е. Вавилов, Н.Г. Тарасов (ФГБОУ ВО Уфимский гос. Авиационный технич. Университет, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12).
К недостаткам указанной автономной системы электроснабжения с электрозапуском силовой установки (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности системы из-за неспособности стабилизации амплитуды переменного напряжения без снижения коэффициента мощности и КПД системы, низкая надежность и большие помехоизлучения системы из-за наличия цепей несанкционированных «сверхтоков» при воздействии электромагнитных импульсов молний и из-за «жесткой» коммутации электронных ключей (с одновременными скачками токов и напряжений).
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей системы за счет обеспечения стабилизации амплитуды переменного напряжения без снижения коэффициента мощности и КПД системы. К дополнительным результатам относятся повышение надежности и снижение помехоизлучений системы за счет исключения цепей для несанкционированных «сквозных токов» при воздействии электромагнитных импульсов молний и за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей.
Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в предлагаемой системе электроснабжения, содержащей силовую установку, магнитоэлектрический стартер-генератор с постоянными магнитами на роторе и якорной обмоткой на статоре, контактор, распределительное устройство переменного напряжения с нестабильными параметрами, балластный индуктивно-емкостный фильтр, дифференциальную фильтровую стойку, мостовой обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, состоящий из трех двухплечевых электронно-ключевых стоек с обратными диодами, а также блок управления с цепями обратных связей и с импульсно-модуляторными выводами, введены распределительное устройство переменного напряжения со стабильной амплитудой, вспомогательный индуктивно-емкостный фильтр, а также три двунаправленных электронных ключа, каждый электронный ключ преобразователя снабжен цепочкой, состоящей из демпферного дросселя, снабберного конденсатора, двухдиодной стойки и разрядного электронного ключа, а блок управления снабжен релейно-импульсными выводами. На чертеже также показан аварийный расцепитель сочленения вала силовой установки.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование предлагаемой системы электроснабжения подтверждают ее работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг. 1) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемой автономной системы электроснабжения с электрозапуском силовой установки.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема блока управления.
Предлагаемая автономная система электроснабжения с электрозапуском силовой установки содержит: силовую установку 1 с приводным валом, магнитоэлектрический стартер-генератор с постоянными магнитами 2 на роторе и трехфазной якорной обмоткой 3 на статоре, подключенной через контактор 4 к распределительному устройству 5 переменного напряжения с нестабильными параметрами, трехфазный балластный индуктивно-емкостный фильтр 6, дифференциальную двухконденсаторную фильтровую стойку 7-8 с заземленным средним и разнополярными крайними выводами 9-10-11, мостовой обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, состоящий из трех фазных двухплечевых электронно-ключевых стоек 12-13, 14-15 и 16-17, зашунтированных обратными диодами 18-19, 20-21 и 22-23. Система содержит также блок управления 24 (Фиг. 2) с цепями 25, 26 обратных связей по внешним токам и напряжениями с импульсно-модуляторными выводами 27. Кроме этого система содержит: распределительное устройство 28 переменного напряжения со стабильной амплитудой, трехфазный вспомогательный индуктивно-емкостный фильтр 29, а также три двунаправленных электронных ключа 30. Каждый электронный ключ мостового выпрямительно-инверторного преобразователя снабжен демпферно-снабберной цепочкой, состоящей из демпферного дросселя 31, включенного последовательно с этим ключом, снабберного конденсатора 32, двухдиодной стойки 33-34 и разрядного электронного ключа 35. Блок управления снабжен также релейно-импульсными выводами 36.
Фазные двухплечевые электронно-ключевые стойки 12-13, 14-15 и 16-17 подключены своими межплечевыми средними выводами через балластный индуктивно-емкостной фильтр 6 и контактор 4 к якорной обмотке 3 стартер-генератора, а своими выводами постоянного тока - к крайним выводам фильтровой стойки 7-8. Вспомогательный индуктивно-емкостный фильтр 29 включен между межплечевыми средними выводами электронно-ключевых стоек мостового выпрямительно-инверторного преобразователя и распределительного устройства 28 переменного напряжения со стабильной амплитудой. Двунаправленные электронные ключи 30 заземляют указанные межплечевые выводы мостового преобразователя.
Каждый из разрядных электронных ключей 35 через двухдиодную стойку 33-34 подключен к первому силовому выводу данного ключа, через первый диод стойки и снабберный конденсатор 32 - ко второму силовому выводу данного ключа и непосредственно подключен к соответствующему распределительному устройству 5 переменного напряжения с нестабильными параметрами.
Блок управления 24 своими импульсно-модуляторными выводами 27 подключен к управляющим выводам ключей с 12 по 17 мостового выпрямительно-инверторного преобразователя, а своими релейно-сигнальными выводами 36 - к управляющим выводам двунаправленных электронных ключей 30.
В качестве электронных ключей с 12 по 17 и 30 могут использоваться ключевые транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве разрядных электронных ключей 35 - ключевые транзисторы.
На чертеже также показаны аварийный расцепитель 37 сочленения вала силовой установки 1 (например, срезная или подвижная шпонка) для защиты от перегрузок и коротких замыканий.
Автономная система электроснабжения с электрозапуском силовой установки работает следующим образом.
К выводам 9-10-11 фильтровой стойки 7-8 подключают суперконденсатор или/и аккумуляторную накопительную батарею. К распределительным устройствам 5 и 28 переменных напряжений подключают нагрузки (потребители) переменного трехфазного (или однофазного) тока с нестабильными параметрами и стабильной амплитудой напряжения, соответственно.
На импульсно-модуляторных выводах 27 и релейно-сигнальных выводах 36 блока управления 24 формируются высокочастотные прямоугольные широтно-модулируемые и кратковременные импульсы, соответственно, для управления электронными ключами.
Система электроснабжения может работать в двух режимах:
1) режиме электрозапуска силовой установки (стартерном режиме) и 2) режиме электропитания потребителей (нагрузок) от магнитоэлектрического генератора через распределительные устройства 5 и 28 и через подзаряженную накопительную батарею (с фильтровой стойкой 7-8). Рассмотрим поочередно эти режимы.
1. Режим электрозапуска силовой установки (стартерный режим).
В этом режиме мостовой обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь (с ключами 12-17 и 30) выполняет функцию инвертора регулируемого трехфазного напряжения, линейно нарастающего по частоте и амплитуде от нуля до максимальных значений (по мере разгона ротора 2 стартер-генератора, работающего в режиме синхронного электродвигателя). При этом фазные токи в якорной обмотке 3 могут иметь прямоугольную форму («меандр» - с промежуточными паузами или без них). Работа указанного мостового инвертора широко освещена в литературе и не требует дополнительных пояснений.
Указанный режим продолжается до момента достаточной раскрутки вала силовой установки 1, начиная с которого силовая установка переходит на самостоятельную работу («режим малого газа») и способна нести генераторную нагрузку.
2. Режим электропитания потребителей (нагрузок) переменного и выпрямленных токов.
В этом режиме мостовой обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь выполняет функцию так называемого, Виенна-выпрямителя с коррекцией коэффициента потребляемой мощности. Указанная коррекция осуществляется с помощью широтно-импульсного регулирования фазных токов в якорных обмотках 3 стартер-генератора с обеспечением их синусоидальной формы при синхронности и синфазности с соответствующими фазными напряжениями. Это позволяет (в отличие от прототипа) одновременно обеспечить: а) стабилизацию выпрямленных напряжений (на фильтровой стойке 7-8) с приближением коэффициента потребляемой мощности к единице, т.е. с минимальными тепловыми потерями в цепях переменного тока, и б) стабилизацию амплитуды напряжений на распределительном устройстве 28 за счет питания входных выводов вспомогательного индуктивно-емкостного фильтра 29 от фильтровой стойки 7-8 через поочередно отпираемые выпрямительные диоды с 18 по 23.
В обоих рассмотренных режимах, во-первых, с помощью демпфирующих дросселей 31 обеспечивается исключение «сквозных сверхтоков» из-за несанкционированных включений силовых ключей (с 12 по 17 и 30) при воздействии на блок управления24 электромагнитных импульсов молний, и во-вторых, осуществляется «мягкая» коммутация силовых ключей (без одновременных скачков токов и напряжений в цепях ключей), благодаря чему снижаются коммутационные тепловые потери и помехоизлучения. При этом полная разрядка снабберных конденсаторов 32 производится в цепь соответствующего дросселя индуктивно-емкостного фильтра 6 через разрядный электронный ключ 35, диод 18, дроссель 31 и ключ 12 (и через другие аналогичные цепи), а энергия, накапливаемая снабберными конденсаторами, передается в нагрузку с малыми тепловыми потерями.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемой автономной системе электроснабжения с электрозапуском силовой установки обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей системы за счет обеспечения стабилизации амплитуды переменного напряжения без снижения коэффициента потребляемой мощности и КПД системы, а также дополнительные результаты: повышение надежности и снижение помехоизлучений системы за счет исключения цепей для несанкционированных «сквозных сверхтоков» при воздействии электромагнитных импульсов молний и за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей.