СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ СТАБИЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников электроэнергии, выполненных на основе механоэлектрических систем генерирования, применяемых в самолетостроении.
Известны авиационные системы генерирования напряжения переменной частоты, содержащие нерегулируемые генераторы с возбуждением от постоянных магнитов, связанные с валом авиадвигателя непосредственно. Выходы генераторов соединены с нагрузкой посредством полупроводниковых преобразователей. Генераторы формируют на своих выходах напряжение переменного тока нестабильной частоты, а преобразователи его преобразуют в стабильное напряжение переменного тока стабильной частоты (2). Недостатком известных устройств является повышенные масса-габаритные характеристики, обусловленные тем, что вся мощность генератора, включая нагрузку, преобразуется в преобразователе. Кроме того, данные системы имеют сравнительно низкий коэффициент мощности и высокую трудоемкость изготовления.
Наиболее близким к полезной модели является система генерирования стабильного напряжения переменного тока нестабильной частоты, в которой вал генератора связан с валом авиадвигателя непосредственно. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем регулирования тока в обмотках возбуждения генератора (3). Недостатком известного устройства является сложность конструкции генератора, состоящего из трех каскадов с вращающимся выпрямителем. Сложность конструкции влечет за собой снижение надежности и ухудшение массо-габаритных показателей. Кроме того, система имеет низкое качество переходных процессов, которое может привести к появлению перенапряжений на выходе генератора и, следовательно, снижению надежности.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели, является упрощение конструкции, повышение надежности и улучшение массо-габаритных показателей.
Технический результат достигается за счет того, что в системе генерирования стабильного напряжения переменного тока, содержащей подключенный к выходу авиадвигателя магнитоэлектрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов, выходные выводы которого,
предназначенные для подключения потребителя стабильного напряжения переменной частоты, подключены к одному из входов узла сравнения, второй вход которого присоединен к источнику заданного напряжения, а выходы узла сравнения присоединены к входу регулирования источника реактивного тока, выходные выводы которого присоединены параллельно выходным выводам генератора либо к его дополнительным обмоткам, источник реактивного тока выполнен обеспечивающим формирование пропорционального величине выходного сигнала узла сравнения реактивного тока, опережающего по фазе выходное напряжение генератора при его снижении относительно заданного или отстающего по фазе от выходного напряжения генератора при его подъеме относительно заданного. Кроме того, источник реактивного тока может включать в себя дроссели, соединенные с выходами полупроводникового коммутатора с изменяемым соответственно входному сигналу коэффициентом мощности, причем входом регулирования источника реактивного тока является вход коммутатора, а выходом - свободные выводы дросселей.
На Фиг.1 представлена конструктивная схема устройства.
На Фиг.2 и 3 представлены варианты выполнения источника реактивного тока.
На Фиг.4 представлен вариант подсоединения источника реактивного тока к дополнительным обмоткам генератора.
На Фиг.5 изображены диаграммы работы устройства.
Система генерирования стабильного напряжения переменного тока (Фиг.1) содержит генератор 1 с возбуждением от постоянных магнитов, подключенный к выходу авиадвигателя 2. Выходные выводы генератора, предназначенные для подключения потребителя стабильного напряжения переменной частоты, подключены к одному из входов узла сравнения 3. Второй вход узла сравнения присоединен к источнику заданного (эталонного) напряжения с выходным сигналом Uзад. Выходы узла сравнения 3 присоединены к входу регулирования источника реактивного тока 4, выходные выводы которого присоединены параллельно выходным выводам генератора 1 либо к его дополнительным обмоткам 5. Источник реактивного тока включает в себя дроссели, соединенные с выходами полупроводникового коммутатора 6 с изменяемым соответственно входному сигналу коэффициентом мощности. Входом регулирования источника реактивного тока 4 является вход коммутатора 6, а выходом - свободные выводы дросселей. Источник реактивного тока 4 обеспечивает формирование пропорционального величине выходного сигнала узла сравнения реактивного тока, опережающего по фазе выходное напряжение генератора при его снижении относительно заданного напряжения, и отстающего по фазе от выходного напряжения генератора при его подъеме относительно заданного. На Фиг.2 и 3 представлены варианты выполнения источника реактивного тока с различными модификациями полупроводникового коммутатора 6.
На Фиг.2 изображен коммутатор на не полностью управляемых приборах (тиристорах), предназначенный для однозонного регулирования реактивным током с отстающим Cos φ. На Фиг.3 представлен коммутатор, выполненный на полностью управляемых ключах (транзисторах), осуществляющих двухзонное регулирование выходного напряжения генератора. Двухзонное регулирование обеспечивается за счет формирования подгружающего токовые цепи генератора дополнительного реактивного тока с опережающим Cos φ (для увеличения выходного напряжения генератора) и с отстающим Cos φ (для снижения выходного напряжения).
Коммутатор 6 (Фиг.2) в простейшем виде представляет собой три пары встречно включенных тиристоров, управляющих током дросселей, подключенных к соответствующим фазам генератора. Роль дросселей могут выполнять индуктивности обмоток генератора и индуктивности (Lлин.) линии связи между генератором и нагрузкой 7.
Для сглаживания пульсаций, создаваемых коммутатором, между выходными выводами генератора и нагрузкой может быть включен фильтр 8.
На Фиг.4 представлен вариант подсоединения источника реактивного тока к дополнительным обмоткам генератора. Эта модификация может быть рекомендована для повышения КПД, т.к. токи через ключи коммутатора 6 будут снижены в такой же степени, насколько напряжение дополнительной обмотки 5 будет превышать напряжение на основных обмотках генератора.
Устройство работает следующим образом.
Нерегулируемый магнитоэлектрический генератор 1 приводится во вращение валом авиадвигателя 2 с переменной скоростью вращения, пропорционально которой изменяется частота и напряжение на выходе генератора. Потребители электроэнергии 7 рассчитаны на стабильное напряжение переменного тока нестабильной частоты. Стабилизация выходного напряжения генератора осуществляется путем его подгрузки реактивным током, формируемым регулируемым источником реактивного тока 4. Величина реактивного тока определяется величиной сигнала (тока) регулирования, поступающего с выхода узла сравнения 3 выходного напряжения генератора и заданного (эталонного). Процесс сравнения может осуществляться аналоговым способом, цифровым или их модификацией.
На Фиг.5 изображены диаграммы работы устройства, где:
9 - естественная внешняя характеристика синхронного генератора при номинальной частоте вращения с Cos φ=1;
10 - внешняя характеристика генератора при отстающем от напряжения токе размагничивания с Cos φ<1 (отстающий Cos φ при номинальной частоте вращения);
11 - внешняя характеристика генератора при опережающем токе подмагничивания с Cos φ<1 (опережающий Cos φ);
А - точка, соответствующая номинальной нагрузке (9);
В - точка пересечения внешней характеристики генератора (10) при токе размагничивания (Cos φ отстающий) с прямой номинального напряжения;
С - точка пересечения внешней характеристики (11) при опережающем токе подмагничивания (опережающий Cos φ) с прямой номинального напряжения.
Iкз - точка короткого замыкания.
В соответствии со статической внешней характеристикой (9) генератор находится в состоянии, определяемом рабочей точкой А, которая соответствует номинальной нагрузке (Uном.; Iном.) при номинальных оборотах.
2
2
При увеличении нагрузки генератора, например, на величину ΔI, напряжение генератора уменьшается на величину ΔU, а рабочая точка перемещается соответственно в точку Д кривой (9).
2
Для поддержания номинального напряжения на выходе генератора 1 при токе I, генератор необходимо подмагнитить, т.е. обеспечить соответствующий опережающий Cos φ для перемещения рабочей точки Д в точку С на внешней характеристике (11).
1
1
1
В случае уменьшения нагрузки генератора до величины, определяемой током I, т.е. на величину ΔI, напряжение генератора повышается на величину ΔU, что соответствует точке Е на внешней характеристике (9).
Для уменьшения напряжения в этом случае необходимо размагнитить генератор 1, обеспечив ему отстающий Cos φ, в результате чего рабочая точка из положения Е переместится в В (кривая 10), обеспечивая стабильную величину номинального выходного напряжения генератора.
«Опережающий Cos φ» равнозначен емкостному характеру реактивного тока, опережающего по фазе выходное напряжение генератора, а «Отстающий Cos φ» - индуктивному характеру реактивного тока, отстающего по фазе от выходного напряжения генератора.
Если поддерживать выходное напряжение на номинальном уровне при минимальных оборотах и максимальной нагрузке, т.е. обеспечивать режим работы, при котором при всех изменениях нагрузки и оборотов напряжение генератора будет увеличиваться, то возможно только однозонное регулирование напряжения током размагничивания с отстающим Cos φ.
Если поддерживать выходное напряжение на номинальном уровне при максимальных оборотах и минимальной нагрузке, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором при всех изменениях нагрузки и оборотов напряжение генератора будет уменьшаться, то возможно только однозонное регулирование током подмагничивания с опережающим Cos φ.
Таким образом, полезная модель позволяет существенно упросить конструкцию, повысить надежность и улучшить массо-габаритные показатели системы генерирования с полным преобразованием энергии. Данный результат достигнут благодаря использованию сравнительно простого по конструкции регулируемого источника реактивного тока с
полупроводниковым коммутатором. Улучшение массо-габаритных показателей достигнуто также и за счет снижения габаритов самого генератора, устанавливаемого непосредственно на валу авиадвигателя.
Оптимальные массо-габаритные показатели устройства при высокой надежности позволяют ему быть рекомендованным при проектировании систем генерирования стабильного напряжения переменного тока в широком спектре их использования.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
«Электрооборудование летательных аппаратов» под ред. С.А.Грузкова, т.1 Москва, МЭИ, 2005 г. с.430-435; с.243, 434.