АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве магистральных каналов авиабортового комбинированного электроэнергетического комплекса с резервно-аккумуляторным источником бесперебойного питания.
Известен авиабортовой автономный источник электропитания (аналог), содержащий трехфазный магнитоэлектрический электромашинный стартер-генератор (без привода постоянной частоты вращения) с постоянными магнитами на роторе, и с нестабильным по частоте и амплитуде выходным напряжением, аварийный выключатель, обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенный выходом к подсистеме распределения постоянного повышенного напряжения с заземленным «минусом» и двумя расщепленными шинами с асинхронно-плавающими (имеющими регулярные поочередные перерывы или «провалы») «плюсовыми» потенциалами - для обеспечения бездуговой коммутации (Резников С.Б.. Самолетная система электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения. // Авиационное приборостроение, 2004 г., №4, с. 62-67, стр. 63, Рис. 1 и стр. 65, Рис. 3а). К существенным достоинствам указанного устройства помимо исключения гидро- или пневмопривода постоянной частоты вращения, имеющего низкие надежность и КПД и большие эксплуатационные затраты, относится использование так называемого звена постоянного повышенного напряжения (270, 540 или 750 В), позволяющего объединять (в параллель) автономные источники электропитания для повышения суммарной установочной мощности и соответственно - сохранения качества электроэнергии в переходных и аварийных режимах.
К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: сложность реализации бездуговой коммутации в системе распределения (расщепление кабелей, введение суммирующих диодов для каждой нагрузки, удвоение числа контакторов) и узкие функциональные возможности из-за неспособности обеспечения рекуперации электроэнергии из нагрузки в источник и использования в генераторе стартерного режима, а также повышенные помехоизлучения.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сути является автономный источник электропитания (прототип), содержащий электромашинный асинхронный стартер-генератор с трехфазным переменным напряжением с нестабильной частотой (360...800 Гц), но стабилизированной амплитудой  и вспомогательный асинхронный стартер-генератор с приводом от вспомогательной силовой установки, имеющий стабилизированные параметры частоты и амплитуды (400 Гц, ), с самовозбуждением по якорным цепям через регулируемый инвертор синусоидального напряжения, имеющий цепи подключения к магистральному генератору. Кроме этого источник содержит обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь с входным корректором коэффициента мощности и выходным дифференциальным звеном постоянных повышенных напряжений (0±135 В или 0±270 В) для подключения в параллель аналогичных звеньев других источников и наиболее мощных нагрузок постоянных напряжений, а также обратимый импульсный конвертор, включенный между дифференциальным звеном и шинами постоянного низкого напряжения с подключаемой к ним аккумуляторной батареей (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А. Электромагнитная и электроэнергетическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников электропитания полностью электрифицированных самолетов / Под ред. С.Б. Резникова. / М.: Изд-во МАИ, 2014,160 с, стр. 30, Рис. 1.2.2)
К недостаткам указанной автономного источника электропитания (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за неспособности использования в качестве магистрального стартер-генератора магнитоэлектрической электромашины с постоянными магнитами на роторе с улучшенными массо-энергетическими и надежностными характеристиками и из-за невозможности питания мощных нагрузок переменным стабилизированным по амплитуде напряжением, произвольной частоты, в обход инвертора синусоидального напряжения с ограниченной установочной мощностью, а также низкий коэффициент мощности на выходе стартер-генератора, низкий его КПД и большие помехоизлучения из-за высокочастотных пульсаций токов и напряжений в якорной цепи.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение надежности при повышении коэффициента мощности на выходе стартер-генератора и его КПД, а также при снижении помехоизлучений за счет снижения высокочастотных пульсаций токов и напряжений в якорной цепи, и при улучшении массо-энергетических характеристик за счет возможности питания мощных нагрузок переменным стабилизированным по амплитуде напряжением произвольной частоты в обход инвертора синусоидального напряжения с ограниченной установочной мощностью.
Указанный результат обеспечиваются благодаря тому, что в автономный источник электропитания, содержащий трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного тока с нестабильными параметрами, подключенный к распределительным шинам переменного напряжения с нестабильными параметрами и к первому обратимому выпрямительно-инверторному преобразователю с входным корректором коэффициента мощности и с выходным дифференциальным звеном постоянных повышенных напряжений для параллельного подключения аналогичных источников и наиболее мощных нагрузок, инвертор синусоидального напряжения, распределительные шины переменного напряжения со стабильными параметрами, обратимый импульсный конвертор, распределительные шины постоянного низкого напряжения для подключения аккумуляторной батареи и соответствующих нагрузок и блок управления с цепями обратных связей и с управляющими выводами, ВВЕДЕНЫ распределительные шины переменного напряжения со стабильной амплитудой для подключения мощных нагрузок, некритичных к стабильности частоты, и первый индуктивно-емкостный фильтр, а также второй обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, причем первый преобразователь СОСТОИТ из второго индуктивно-емкостного фильтра, двух групп диодно-ключевых стоек и вентильно-конденсаторных стоек, трехфазных реакторов и уравнительного делителя напряжений, а также благодаря тому, что в нее ВВЕДЕН трехфазный контактор, подключенный к выходным выводам дросселей второго фильтра, который вместе с фазными реакторами ВЫПОЛНЕНЫ с пофазно-общими магнитопроводами, а мосты второго преобразователя и уравнительного делителя напряжений ВЫПОЛНЕНЫ со встречно-параллельными диодно-ключевыми ветвями в плечах.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого автономного источника электропитания подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На Фиг. 1, представлена структурно-принципиальная силовая схема, на Фиг. 2 - каналы управления предлагаемого автономного источника электропитания.
Автономный источник электропитания содержит трехфазный электромашинный стартер-генератор 1 переменного тока с нестабильными параметрами, подключенный своей якорной обмоткой к распределительным шинам 2 переменного напряжения с нестабильными параметрами для подключения нагрузок, некритичных к качеству электроэнергии и к выводам переменного тока первого обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя 3 с входным корректором коэффициента мощности и с выходными дифференциальными выводами, подключенными к дифференциальному звену 4 постоянных повышенных напряжений с заземленной среднепотенциальной шиной для параллельного подключения аналогичных источников и наиболее мощных нагрузок. Устройство содержит также инвертор синусоидального напряжения 5, подключенный входом к указанному звену, а выходом - к распределительным шинам 6 переменного трехфазного напряжения со стабильными параметрами частоты и амплитуды, обратимый импульсный конвертор 7, включенный между указанным звеном и распределительными шинами 8 постоянного низкого напряжения для подключения резервно-аккумуляторной батареи и соответствующих нагрузок, а также блок управления 9 с цепями 10, 11 обратных связей по токам и напряжениям и с импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами 12 для управления указанными преобразователями. Помимо вышеуказанного, устройство содержит распределительные шины 13 трехфазного переменного напряжения со стабильной амплитудой для подключения мощных нагрузок переменного напряжения, некритичных к стабильности частоты, и первый трехфазный индуктивно-емкостный фильтр 14 низкой частоты, подключенный выходом к указанным шинам, а также второй обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь 15, выполненный по схеме трехфазного моста. Первый обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь состоит из последовательно между собой соединенных входного второго трехфазного индуктивно-емкостного фильтра 16 с дополнительными выводами, двух параллельно-расщепленных трехфазных групп заземляющих диодно-ключевых стоек 17, двух параллельно-расщепленных трехфазных групп заземляющих вентильно-конденсаторных стоек 18, трех двухсекционных фазных реакторов 19-20 и уравнительного делителя напряжений 21, выполненного по схеме трехфазного моста, зашунтированного по выходу крайними выводами двухконденсаторной фильтровой стойки 22-23.
Выходные дроссели второго индуктивно-емкостного фильтра 16 и фазные реакторы 19, 20 первого обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя 3 выполнены с пофазно-общими магнитопроводами, причем пары секций каждого из фазных реакторов включены между собой встречно (что отмечено на чертеже обозначениями начал их обмоток).
Трехфазные мосты обратимых второго выпрямительно-инверторного преобразователя 15 и уравнительного делителя напряжений 21 выполнены со встречно-параллельными диодно-ключевыми ветвями в мостовых плечах.
Выходные дифференциальные выводы первого обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя 3 подключены непосредственно к дифференциальному звену 4 постоянных повышенных напряжений с заземленной среднепотенциальной шиной, а также подключены через инвертор синусоидального напряжения 5 к распределительным шинам 6 переменного трехфазного напряжения со стабильными параметрами частоты и амплитуды и через обратимый импульсный конвертор 7 - к распределительным шинам 8 постоянного низкого напряжения.
Второй обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь 15 своими выводами переменного тока подключен к дополнительным выводам второго трехфазного индуктивно-емкостного фильтра 16 первого преобразователя, а своими выводами постоянного тока - к крайним выводам двухконденсаторной фильтровой стойки 22-23, шунтирующей звено 4 постоянных повышенных напряжений.
В качестве электронных ключей перечисленных преобразователей используются ключевые транзисторы, а в качестве управляемых вентилей вентильно-конденсаторных стоек 18 - обычные (однооперационные) тиристоры, управляемые от релейно-сигнальных выводов 12 блока управления 9.
Автономный источник электропитания работает следующим образом. К распределительным шинам 2 подключают нагрузки переменного тока, некритичные к качеству электроэнергии (например, нагревательные приборы, противообледенительно-тепловое, осветительное и другое оборудование); к распределительным шинам 13 - наиболее мощные нагрузки переменного тока, некритичные к частоте (например, электроимпульно-противообледенительная система и вышеперечисленные); к распределительным шинам 6 (например, с традиционным авиабортовым трехфазным напряжением , 400 Гц) - нагрузки, критичные к качеству электроэнергии (например, авиабортовое навигационно-управляющее оборудование, включая вычислительно-компьютерное, микропроцессоры, контроллеры и др.), а к распределительным шинам 8 - резервно-аккумуляторную батарею, низковольтное осветительное, навигационно-сигнальное и другое жизненно-важное оборудование, определяющее «живучесть», «горячий резерв» и «бесперебойное питание». К дифференциальному звену 4 постоянного повышенного напряжения подключают аналогичные звенья других магистральных каналов и наиболее мощные нагрузки постоянных повышенных напряжений с возможностью рекуперации электроэнергии (например, мощные электроприводные двигатели с рекуперативным торможением и др.).
На импульсно-модуляторных и релейно-сигнальных выводах 12 блока управления 9 формируются высокочастотно-прямоугольные широтно-модулируемые импульсы и низкочастотные пачки кратковременных импульсов, синхронизированные с полупериодами фазных напряжений стартер-генератора 1.
шим
Первый обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь 3 работает следующим образом. При прямом преобразовании контактор 24 разомкнут.На произвольном периоде широтно-импульсной модуляции (T) в любой из фазных цепей преобразования на любом полупериоде фазного напряжения генератора 1 можно выделить два чередующихся этапа: а) этап нарастания полного потокосцепления (Ψ) фазного дросселя фильтра 16 и двух секций фазного реактора из их групп 19 и 20 (этап ) и б) этап частичного (или полного) спадания указанного потокосцепления (этап ). При положительном потенциале фазной шины 2 на этапе:  одновременно нарастают токи в цепях: (конденсатор 16)-(дроссель 16)-(диодно-ключевая стойка 17), а также: (конденсатор 18)-(ключ 17)-(конденсатор 22)-(диод 21)-(реактор 19), а на этапе:  одновременно частично (или полностью) спадают токи в цепях: (дроссель 16)-(диод 17)-(конденсатор 18)-(вентиль 18)-(конденсатор 16), а также (реактор 19)-(вентиль 18)-(конденсатор 22)-(диод 21). Далее указанные этапы высокочастотно-периодически качественно повторяются в пределах рассматриваемого полупериода фазного напряжения стартер-генератора 1, производя зарядку фильтрового конденсатора 22 с непрерывным током в фазном дросселе входного фильтра 16.
При отрицательном потенциале фазной шины 2 происходят аналогичные процессы, но с участием фазного реактора 20 и заряжаемого фильтрового конденсатора 23.
Затем оба процесса низкочастотно-периодически качественно повторяются. При этом с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов и использования цепей обратных связей (10, 11) блока управления 9 в якорных цепях стартер-генератора 1 формируются синусоидальные фазные токи, синхронные и синфазные с соответствующими фазными напряжениями, приближая коэффициент мощности в этих цепях к единице и снижая тем самым тепловые потери в его обмотках и магнитопроводе, а также снижая помехоизлучения. Еще большее значение коэффициента мощности достигается с помощью электромагнитной взаимосвязи между обмотками дросселей 16 и секций реакторов 19, 20, снижающей высокочастотные пульсации фазных токов за счет противо-ЭДС индукции, наводимых в цепях дросселей при коммутациях ключей.
При обратном преобразовании электроэнергии (от звена 4 к распределительным шинам 2, например, в стартерном режиме работы стартер-генератора 1) входной фильтр 16 первого преобразователя 3 работает в качестве выходного фильтра для второго преобразователя 15 (контактор 24 при этом замкнут).
Работа этого преобразователя в качестве простейшего трехфазного мостового ШИМ-инвертора широко освещена в литературе по силовой электронике и не требует дополнительных разъяснений (например, см. ссылку на прототип).
Уравнительный делитель напряжений 21 выполняет три функции:
1) в качестве выходного трехфазно-мостового неуправляемого (диодного) выпрямителя при прямом преобразовании в составе первого обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя 3;
2) в качестве пассивно-диодного коммутатора-инвертора с трехфазным трапецеидальным выходным напряжением питания распределительных шин 13 через первый фильтр низкой частоты 14 и
3) в качестве уравнительного делителя напряжений на фильтровой стойке 22-23, т.е. в плечах дифференциального звена 4 постоянных повышенных напряжений.
Первая из перечисленных функций рассмотрена выше.
Вторая функция не требует специального управления и выполняется автоматически при выполнении первой за счет низкочастотно-чередующихся подключений через диоды 21 крайних выводов фильтровой стойки 22-23 со стабилизированными постоянными потенциалами относительно общего заземления.
Третья функция (взаимного выравнивания абсолютных величин упомянутых потенциалов) выполняется следующим образом. С помощью блока управления 9 производится широтно-импульсная модуляция сигнала в цепи управления того ключа 21, который непосредственно подключен к фильтровому конденсатору (из 22 и 23) с  напряжением и который на данном полупериоде переменного напряжения стартер-генератора подключен через реактор из групп 19, 20 к включенному вентилю 18. При каждом очередном включении этого ключа ток указанного реактора нарастает, разряжая указанный («излишне заряженный») конденсатор, а после выключения этого ключа ток указанного реактора частично (или полностью) спадает, заряжая другой («недозаряженный») конденсатор фильтровой стойки.
В отличие от прототипа, в котором используется стартер-генератор переменного напряжения со стабильной амплитудой (т.е. с электромагнитным возбуждением от специального инверторного возбудителя), предлагаемый источник может использовать гораздо более простой стартер-генератор в виде магнитоэлектрической машины с постоянными магнитами на роторе, имеющей улучшенные массоэнергетические и надежностные характеристики (без специального инверторного возбудителя). При этом стабилизация его напряжения при нестабильной скорости вращения производится автоматически вместе со стабилизацией выпрямленного напряжения на дифференциальном звене постоянного повышенного напряжения без специальных дополнительных узлов, ухудшающих надежностные и массогабаритные характеристики устройства.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом автономном источнике электропитания обеспечивается основной технический результат: улучшение надежности при повышении коэффициента мощности на выходе стартер-генератора и его КПД, а также при снижении помехоизлучений за счет снижения высокочастотных пульсаций токов и напряжений в якорной цепи, и при улучшении массо-энергетических характеристик за счет возможности питания мощных нагрузок переменным стабилизированным по амплитуде напряжением произвольной частоты в обход инвертора синусоидального напряжения с ограниченной установочной мощностью.