СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТАНКА Российский патент 1998 года по МПК F02N11/08 

Изобретение относится к системам электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей объектов бронетанковой техники, преимущественно к основным танкам и объектам на их базе.

Известны системы электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей объектов бронетанковой техники, в которых и для запуска двигателя объекта, и для питания потребителей электрической энергии используется одна электрическая машина - стартер-генератор. Известны также системы энергоснабжения потребителей подвижных объектов, содержащие несколько сетей постоянного тока с различным уровнем напряжения [1].

Наиболее близкой к изобретению является система электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей объекта 172М [2], содержащая стартер-генератор, реле-регулятор напряжения, пускопереключающую и защитную аппаратуру, аккумуляторные батареи. В этой системе в качестве стартер-генератора применена низковольтная электрическая машина постоянного тока с присущими ей недостатками щеточно-коллекторного узла, ограничивающими мощность генератора, снижающими надежность и срок службы генератора. К недостаткам рассматриваемой системы энергоснабжения следует отнести и наличие только одной сети постоянного тока с уровнем направления 27,5 B для питания различного рода потребителей, что приводит к невозможности эффективного использования потребителей, критичных к качеству электрической энергии, и применения перспективных потребителей повышенной мощности. При электрическом запуске двигателя танка стартер-генератором потребляется ток порядка 200 A, что приводит к преждевременному выходу из строя аккумуляторных батарей (рассчитанных на номинальный ток 400 A) и невозможности осуществления многократных попыток запуска двигателя из-за чрезмерного разряда аккумуляторных батарей во время предыдущих запусков.

Отсутствие канала электрической энергии повышенного качества для питания потребителей, критичных к качеству электроэнергии в многосетевой системе элекроснабжения [1], также относится к ее недостаткам.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, являющихся следствием применения в качестве генератора электрической машины постоянного тока, повышение мощности генератора системы энергоснабжения при сопоставимых габаритно-массовых показателях, организация трех каналов для питания потребителей электрической энергией различного уровня и качества, улучшение условий заряда и работы аккумуляторных батарей при электрическом запуске двигателя.

Указанная задача решается тем, что в известной системе электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей танка (объект 172 м), содержащей стартер-генератор, аккумуляторные батареи, два электрических фильтра радиопомех, пускопереключающую и защитную аппаратуру, в качестве стартер-генератора применен вентильный двигатель, состоящий из синхронной трехфазной индукторной электрической машины со встроенным датчиком положения ротора, автономного инвертора и схемы управления инвертором, содержащий четыре группы трехфазных обмоток статора и четыре независимые обмотки возбуждения для генераторного режима работы, образующие совместно с выпрямителями и аккумуляторными батареями четыре независимых канала электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 B с регулированием напряжения индивидуальными регуляторами напряжения в каждом канале, и отдельную трехфазную обмотку статора для стартерного режима работы, при этом генераторные обмотки статора связаны через выпрямители с аккумуляторными батареями и далее через блок защиты и коммутации, блок распределения и коммутации, вращающееся контактное устройство и электрические фильтры радиопомех с потребителями корпуса и башни танка, а стартерная обмотка статора, благодаря датчику положения ротора и схеме управления инвертором, через автономный инвертор, систему управления пуском и блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями, причем ротор стартер-генератора соединен через редуктор с двигателем танка.

Кроме того, введено реле обмоток возбуждения, переключающее четыре группы обмоток возбуждения генераторного режима в одну шунтовую четырехсекционную обмотку возбуждения для стартерного режима работы, при этом обмотки возбуждения соединены через реле обмоток возбуждения с регуляторами напряжений индивидуальных каналов и через блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями в генераторном режиме, а в стартерном режиме работы шунтовая обмотка возбуждения соединена через реле обмоток возбуждения, систему управления пуском и блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями.

Дополнительно к этому четыре аккумуляторные батареи бортовой сети соединены последовательно с заземленной средней точкой, благодаря чему образованы канал электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 B, канал электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 B высокого качества, достигаемого стабилизацией напряжения, и канал электрической энергии постоянного тока напряжением 110 B, при этом генераторная обмотка канала электрической энергии высокого качества соединена через выпрямитель, аккумуляторную батарею, блок защиты и коммутации, стабилизатор напряжения, блок распределения и коммутации с потребителями корпуса танка и через вращающееся контактное устройство, электрический фильтр радиопомех с потребителями башни, а напряжение 110 B, получаемое благодаря суммированию напряжений четырех индивидуальных каналов, через блок защиты и коммутации подается к наиболее мощным потребителям танка.

Изобретение поясняется фиг. 1, где представлена блок-схема функционирования предлагаемой системы электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей танка.

Предлагаемая система содержит стартер-генератор 1, блок выпрямителей 2, блок регуляторов напряжения 3, блок аккумуляторных батарей 4, два электрических фильтра радиопомех 5 и 6, блок защиты и коммутации 7, блок распределения и коммутации 8, вращающееся контактное устройство 9, а также реле стартер-генератора, блок стартерного переключения, пусковое устройство стартера, прибор автоматики, согласующий и другие функциональные узлы и элементы пускопереключающей и регулирующей аппаратуры системы электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей объекта 172 M, показанные на блок-схеме одним блоком 10, выполняющие функцию системы управления пуском (СУП) в известной системе электрического запуска двигателя. В качестве стартер-генератора 1 предлагается синхронная индукторная электрическая машина переменного тока специальной конструкции, содержащая четыре независимые обмотки возбуждения, обозначенные на фиг. 1 блоком обмоток возбуждения (БОВ) 11, четыре группы трехфазных генераторных обмоток и одну трехфазную стартерную обмотку M стартора, а также встроенный датчик положения ротора 12, выполненный на элементах Холла. Для обеспечения стартерного режима работы предлагаемого стартер-генератора 1 схема содержит автономный инвертор 13 и схему управления инвертором (СУИ) 14, а также реле обмоток возбуждения (РОВ) 15. Схема содержит также стабилизатор напряжения (СН) 16, г, необходимый для образования канала электрической энергии высокого качества.

Генераторный режим работы
Четыре группы трехфазных генераторных обмоток статора электрической машины образуют четыре независимых источника электрической энергии переменного тока. Подключением к каждому источнику индивидуальных выпрямителя, регулятора напряжения и аккумуляторной батареи образуются четыре канала электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 B. Указанный уровень напряжения в каждом канале поддерживается своим регулятором напряжения через индивидуальную для каждого канала независимую обмотку возбуждения. Для аккумуляторных батарей создаются улучшенные условия заряда, так как каждая из четырех батарей, подключенная параллельно соответствующей генераторной обмотке, заряжается от своего источника. Аккумуляторные батареи каждого канала соединяются друг с другом последовательно, образуя блок аккумуляторов 4. Особенностью соединения аккумуляторных батарей является заземление их средней точки, как показано на фиг. 1. Такая схема соединения позволяет организовать три канала электрической энергии постоянного тока для питания потребителей:
канал B (см. фиг. 1) с уровнем напряжения 27,5 B для питания потребителей, непредъявляющих повышение требования к качеству электрической энергии;
канал "чистой" энергии A с уровнем напряжения 27,5 B, содержащий стабилизатор напряжения 16, для питания потребителей, критичных к качеству электрической энергии;
канал C повышенного уровня напряжения 110 B (относительно корпуса ±55 B) для питания приводов танкового вооружения.

В связи с применением выпрямителей 2, работающих на бортовую сеть, отпадает необходимость автоматического включения стартер-генератора 1 в сеть электрооборудования и отключения его от сети. Эту функцию в известном реле-регуляторе напряжения PIOTM-Y выполняет дифференциальное реле. В предлагаемой системе энергоснабжения потребителей регуляторы напряжения 3 выполняют единственную функцию - обеспечивают автоматическое регулирование напряжения генератора 1 в заданных пределах при изменении скорости вращения, нагрузки и температуры, за счет воздействия на обмотки возбуждения II стартер-генератора I.

Стартерный режим работы
Для обеспечения стартерного режима работы предлагаемый стартер-генератор I имеет отдельную трехфазную стартерную обмотку стартера M и встроенный датчик положения ротора 12. Чтобы обеспечить питание электрической машины переменного тока от аккумуляторных батарей 4, в схеме предусмотрены автономный инвертор 13, осуществляющий преобразование постоянного напряжения в переменное трехфазное, и схема управления инвертором 14. Схема управления инвертором служит для управления инвертором 13 по сигналам с датчика положения ротора 12 и системы управления пуском 10.

Датчик положения ротора 12 предназначен для выдачи сигнала на СУИ 14 с целью открытия соответствующих транзисторов инвертора 13 в зависимости от положения ротора стартер-генератора I. Благодаря этому осуществляется самосинхронизация индукторной электрической машины в режиме пуска.

Особенностью стартерного режима работы предлагаемого стартер-генератора является то, что четыре независимые обмотки возбуждения отдельных каналов генераторного режима переключаются в одну независимую шунтовую обмотку возбуждения для стартерного режима, состоящую из четырех секций, при этом каждая секция подключается к индивидуальной аккумуляторной батарее. Функцию переключения выполняет реле обмоток возбуждения 15. Последовательная обмотка возбуждения для стартерного режима работы показана на фиг. 2, где: ГО_сг -генераторные обмотки стартер-генератора; СО_сг - стартерная обмотка стартер - генератора; АИ - автономный инвертор; СУИ - схема управления инвертором; ДПР - датчик положения ротора; Р_н1...Р_н4 - регуляторы напряжений индивидуальных каналов генератора; НО_в1...НО_в4 - независимые обмотки возбуждения индивидуальных каналов генератора; VZ 1 ... VZ 4 - выпрямители индивидуальных циклов; Ω_рот - частота вращения ротора стартер-генератора; К1 - реле обмоток возбуждения; ОВ_с - обмотка возбуждения стартера.

С помощью блока защиты и коммутации 7 напряжение от четырех последовательно соединенных батарей типа 12СТ-85Р (96 B) через систему управления пуском 10 и автономный инвертор 13 подается на стартерную обмотку M и через СУП 10 и контакты реле обмоток возбуждения 15 на шунтовую обмотку возбуждения II стартер-генератора I. Принцип работы стартер-генератора в стартерном и генераторном режимах поясняется фиг. 2, где изображена принципиальная электрическая схема соединений стартерных и генераторных обмоток стартер-генератора с автономным инвертором, индивидуальными выпрямителями независимых каналов и аккумуляторными батареями.

В остальном процесс пуска двигателя танка 17 не отличается от прототипов (объект 172 M), так как система управления пуском 10, содержащая те же функциональные узлы и элементы, что и у прототипа, обеспечивает двухступенчатый запуск двигателя танка в той же логической последовательности,
Показанные на блок-схеме электрические фильтры 5 и 6, вращающееся контактное устройство 9, блок распределения и коммутации 8, редуктор 18, выключатель батарей 19 и кнопка стартер-генератора 20 принципиальных отличий от прототипа не имеют и поэтому в данном описании не рассматриваются.

При реализации предлагаемого изобретения не возникнет затруднений, так как элементная база предлагаемых устройств достаточно известна и серийно выпускается, а вентильный двигатель изготовлен в макетном варианте силами сотрудников Московского энергетического института и Военной академии бронетанковых войск (см. фиг. 3). Макетный вариант содержит две трехфазные обмотки статора, встроенный датчик положения ротора, автономный выпрямитель-инвертор и схему управления инвертором. Проведены расчеты и конструкторско-технологические работы, обосновывающие реальную возможность создания предлагаемого стартер-генератора.

Применение на объектах бронетанковой техники предлагаемой системы электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей позволит решить ряд принципиально важных задач:
решается вопрос значительного повышения мощности генератора в существующих габаритно-массовых показателях. Так, по сравнению с известным стартер-генератором СГ-10-1, мощность предлагаемого генератора переменного тока в тех же габаритно-массовых показателях увеличена в два раза;
проблема дополнительного повышения мощности источника питания без увеличения потерь решается в предлагаемой системе энергоснабжения повышением уровня напряжения питания наиболее мощных потребителей до 100 B;
задача применения на объектах бронетанковой техники перспективных потребителей повышенной мощности напряжением 110 B, в основном приводов наведения вооружения, и сохранения части существующих потребителей на 27,5 B, налаженных в производстве и выпускаемых промышленностью, решается в предлагаемой системе электроснабжения выделением соответствующих индивидуальных каналов питания для различных групп потребителей. Дополнительно к этому введен канал "чистой" энергии напряжением 27,5 B для повышения эффективности функционирования потребителей, критичных к качеству электрической энергии;
за счет частотно-токового управления пуском электрической машины переменного тока в стартерном режиме работы стартер-генератора I появляется реальная возможность уменьшения пусковых токов, составляющих в предлагаемой системе не более 25% от величин пусковых токов в известной системе. В связи с этим значительно улучшаются условия работы аккумуляторных батарей при запуске двигателя, устраняются причины, приводящие к преждевременному выходу их из строя, повышается надежность запуска двигателя танка и, как следствие, повышается боеготовность объекта;
отсутствие щеточно-коллекторного узла у стартер-генератора повышает безотказность и долговечность всей предлагаемой системы электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей танка.

Следует отметить, что предлагаемый уровень напряжения 110 B обусловлен следующими факторами:
необходимостью выполнения требований конверсии военного производства (двойных технологий), предполагающих разработку и производство военных изделий (например приводов наведения танкового вооружения) в соответствии с государственными стандартами для общепромышленной продукции. Согласно ГОСТ 20529-82 двигатели постоянного тока должны разрабатываться на напряжение 110, 220, 340 и 440 B в зависимости от мощности;
уровень напряжения должен быть кратным 27,5 B для обеспечения заряда аккумуляторной батареи, следовательно, для четырех последовательно соединенных батарей он составляет 110 B;
обеспечением электробезопасности экипажа в соответствии с существующими нормами безопасными уровнями напряжения (для помещений с повышенной влажностью и повышенной температурой считаются 65, 36 и 12 B). В предлагаемой системе электроснабжения наибольший уровень напряжения относительно корпуса танка не превышает безопасного уровня и составляет 55 B постоянного тока.

Изобретение относится к электрооборудованию объектов бронетанковой техники. В качестве стартер-генератора в системе электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей танка применен вентильный двигатель, состоящий из синхронной трехфазной индукторной электрической машины со встроенным датчиком положения ротора, автономного инвертора и схемы управления инвертором. Благодаря предложенной конструкции электрической машины (четыре трехфазные генераторные обмотки статора и одна трехфазная стартерная обмотка статора) и последовательному соединению четырех аккумуляторных батарей с заземлением средней точки реализуются три канала электрической энергии постоянного тока различного уровня напряжения (27,5 В и 110 В) с выделением канала электрической энергии высокого качестве напряжением 27,5 В. За счет управляемого пуска вентильного двигателя значительно снижены пусковые токи в стартерном режиме работы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система электрического запуска двигателя и энергоснабжения потребителей танка, содержащая стартер-генератор, аккумуляторные батареи, два электрических фильтра радиопомех, пускопереключающую и защитную аппаратуру, отличающаяся тем, что в качестве стартер-генератора применен вентильный двигатель, состоящий из синхронной трехфазной индукторной электрической машины со встроенным датчиком положения ротора, автономного инвертора и схемы управления инвертором, содержащий через группы трехфазных обмоток статора и четыре независимые обмотки возбуждения для генераторного режима работы, образующие совместно с выпрямителями и аккумуляторными батареями четыре независимых канала электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 В с регулированием напряжения индивидуальными регуляторами напряжения в каждом канале и отдельную трехфазную обмотку статора для стартерного режима работы, при этом генераторные обмотки статора связаны через выпрямители с аккумуляторными батареями и далее через блок защиты и коммутации, блок распределения и коммутации, вращающееся контактное устройство и электрические фильтры радиопомех с потребителями корпуса и башни танка, а стартерная обмотка статора, благодаря датчику положения ротора и схеме управления инвертором, через автономный инвертор, систему управления пуском и блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями, причем ротор стартер-генератора соединен через редуктор с двигателем танка. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что введено реле обмоток возбуждения, переключающее четыре группы обмоток возбуждения генераторного режима в одну шунтовую четырехсекционную обмотку возбуждения для стартерного режима работы, при этом обмотки возбуждения соединены через реле обмоток возбуждения с регуляторами напряжений индивидуальных каналов и через блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями в генераторном режиме, а в стартерном режиме работы шунтовая обмотка возбуждения соединена через реле обмоток возбуждения, систему управления пуском и блок защиты и коммутации с аккумуляторными батареями. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что четыре аккумуляторные батареи бортовой сети соединены последовательно с заземленной средней точкой, благодаря чему образованы канал электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 В, канал электрической энергии постоянного тока напряжением 27,5 В высокого качества, достигаемого стабилизацией напряжения, и канал электрической энергии постоянного тока напряжением 110 В, при этом генераторная обмотка канала электрической энергии высокого качества соединена через выпрямитель, аккумуляторную батерею, блок защиты и коммутации, стабилизатор напряжения, блок распределения и коммутации с потребителями корпуса танка и через вращающееся контактное устройство, электрический фильтр радиопомех с потребителями башни, а напряжение 110 В, получаемое благодаря суммированию напряжений четырех индивидуальных каналов, через блок защиты и коммутации подается к наиболее мощным потребителям танка.