АВТОНОМНАЯ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02P9/04 H02P6/24 F02N11/04 

Изобретение относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. К таким объектам относятся, например, летательные аппараты, транспортные средства. Во многих упомянутых объектах нагрузки питаются постоянным напряжением 27 В, при этом требуется обеспечить как автономный запуск двигателя объекта, так и обеспечение нагрузок стабилизированным постоянным напряжением при самых жестких требованиях к массе и габаритам системы.

Известна [1] стартер-генераторная электроэнергетическая установка, обеспечивающая снабжение нагрузок электроэнергией и запуск двигателя внутреннего сгорания. В этой установке для запуска и генерирования использована одна электрическая машина и один преобразователь со звеном постоянного тока и инвертором, что обеспечивает снижение массы и стоимости. Однако эта установка обеспечивает нагрузки переменным током и не может быть применена в системах постоянного тока.

Известен [2] способ управления вентильным электроприводом и электропривод [3], обеспечивающий режим торможения за счет поочередного широтно-импульсного управления всеми силовыми ключами трехфазного инвертора, соединенными с положительной шиной, а потом ключами, соединенными с отрицательной силовой шиной.

В предлагаемой стартер-генераторной системе электроснабжения способ управления при торможении электропривода использован в режиме генерирования, а предложенная схема снабжена дополнительными управляющими блоками, позволяющими минимизировать массу и стоимость системы, при одновременной стабилизации напряжения. Технический результат достигается за счет того, что автономная стартер-генераторная система электроснабжения постоянным током, снабженная пусковым источником электроэнергии, например аккумулятором, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, которая при пуске работает как двигатель, а в рабочем режиме, как генератор, причем обмотки статора электрической машины соединены с трехфазным мостовым инвертором на полупроводниковых ключах, соединенных через согласующие каскады с системой управления запуском и с двухканальной системой широтно-импульсных модуляторов, причем выход первого канала через согласующие каскады связан с полупроводниковыми ключами, подключенными к плюсовой шине системы электроснабжения, а выход второго канала связан с ключами, подключенными к минусовой шине, причем каждый канал имеет два входа, при этом первые входы подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, а нагрузки системы электроснабжения через контактор и буферный аккумулятор соединены с шинами постоянного тока инвертора, а к клеммам питания нагрузок присоединен измерительный орган напряжения, выход которого через усилитель присоединен ко вторым входам каждого канала широтно-импульсного модулятора, причем система снабжена контроллером числа оборотов ротора электрической машины, который через пороговый элемент соединен с переключателем электропитания блоков управления режимами запуска и генерирования с регулированием величины выходного напряжения системы электроснабжения нагрузок постоянным током.

Система представлена на фигуре 1, где обозначено:

1 - Электрическая машина с ротором на постоянных магнитах;

2 - Трехфазный инвертор на полупроводниковых ключах, шунтированных диодами;

3 - Основной двигатель объекта, например турбина;

4 - Накопительный конденсатор на шинах постоянного тока инвертора;

5 - Аккумуляторная батарея;

6 - Пусковой контактор;

7 - Нагрузки электросети автономного объекта;

8 - Согласующие каскады, например драйверы;

9 - Система управления запуском;

10 - Контроллер числа оборотов с пороговым элементом;

11 - Переключатель электропитания блоков управления;

12 - Генератор пилообразного напряжения;

13 - Измерительный орган выходного напряжения с усилителем;

14; 15 - Первый и второй широтно-импульсные модуляторы.

Работает предложенная система следующим образом.

При запуске замыкаются контакты 6 пускового устройства. От аккумулятора 5 поступает электропитание на нагрузки 7 и в систему зажигания двигателя внутреннего сгорания 3. Одновременно через контакты переключателя 11 электропитание поступает на блок 9, обеспечивающий программу управления пуском, и через согласующие каскады 8 начинают коммутироваться силовые полупроводниковые ключи инвертора 2, так что в статоре электрической машины 1 образуется вращающееся электромагнитное поле. В результате начинает вращаться ротор электрической машины 1, механически связанный с двигателем внутреннего сгорания 3, и по достижении определенных оборотов, осуществляется устойчивый пуск двигателя 3 с последующим увеличением оборотов.

Контроллер 10 числа оборотов с пороговым элементом осуществляет мониторинг числа оборотов и при заданной их величине обеспечивает с помощью переключателя 11 перевод электропитания с блока 9 на блоки 14 и 15. На эти же блоки подаются сигналы с генератора пилообразного напряжения 12. Причем на один блок подаются положительные полуволны пилообразного напряжения, а на другой блок подаются отрицательные полуволны пилообразного напряжения. На эти же блоки подается с измерительного органа 13 сигнал, который сравнивается с соответствующим пилообразным напряжением. Если выходное напряжение равно заданному, то сигнал с измерительного органа 13 превосходит сигнал с генератора пилообразного напряжения 12. В этом случае все полупроводниковые ключи инвертора 2 закрыты и он работает как мостовой трехфазный выпрямитель, снабжая электроэнергией нагрузки 7 и подзаряжая аккумулятор 5.

При снижении выходного напряжения сигнал с измерительного органа 13 уменьшается и на некоторое время t сигнал пилообразного напряжения превышает его. При этом все силовые ключи инвертора 2, присоединенные к положительной или отрицательной шине, в зависимости от какого из модуляторов идет сигнал, открываются (см. схему по фиг.1).

В результате на полупериоде T/2 пилообразного напряжения в течение времени t три присоединительных к одной шине полуприводниковых ключа открыты, а в течение (T/2-t) - закрыты.

Энергия за время t запасается в закороченных обмотках статора и во внешних индуктивностях, обозначенных на фигуре 1 пунктиром, а на этапе (T/2-t) сбрасывается в конденсатор 4. В выходное напряжение будет увеличиваться. Если полупроводниковые ключи инвертора 2 имеют встроенную защиту по току, то внешних индуктивностей не требуется. Для установившегося процесса, в режиме непрерывных токов, выходное напряжение будет определяться выражением

В результате, за счет действия обратной связи, выходное напряжение будет стабилизироваться.

Если обороты основного двигателя 3 уменьшатся в два раза, в два раза уменьшится напряжение на обмотках электрической машины 1, а отношение достигнет значения 0,5.

При этом выходное напряжение на нагрузках уменьшается только на величину статической ошибки системы регулирования.

В результате, предложенная стартер-генераторная система будет снабжать нагрузки автономного объекта стабилизированным постоянным напряжением при простейшей силовой части, а следовательно, при минимальной массе и стоимости.

Источники информации

1. Патент на изобретение №2363090 от 21.01.2008 г.

авторы Лаптев Н.Н., Харитонов С.А.

2. Патент на изобретение №2398348 от 01.12.2008 г.

автор Лаптев Н.Н.

3. Патент на полезную модель №82077 от 05.12.2008 г.

авторы Лаптев Н.Н., Левин А.В., Довгаленок В.М., Ходунов М.Ф.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в стабилизации напряжения на нагрузках при сокращении массы и стоимости системы. Система содержит один инвертор и одну электрическую машину, работающую как стартер или как генератор, при старте инвертор обеспечивает создание вращающегося электромагнитного поля и вращение ротора по любой известной программе, а в режиме генерирования инвертор работает как выпрямитель и повышающий регулятор постоянного напряжения, причем переход его в режим генерирования осуществляется переключателем электропитания блоков управления по сигналу контроллера числа оборотов ротора электрической машины, после чего поочередно, по полупериодам, силовые ключи инвертора управляются от измерительного органа выходного напряжения через два широтно-импульсных модулятора. 1 ил.

Автономная стартер-генераторная система электроснабжения постоянным током, снабженная пусковым источником электроэнергии, например аккумулятором, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, которая при пуске работает как двигатель, а в рабочем режиме - как генератор, причем обмотки статора электрической машины соединены с трехфазным мостовым инвертором на полупроводниковых ключах, соединенных через согласующие каскады с системой управления запуском и с двухканальной системой широтно-импульсных модуляторов, причем выход первого канала через согласующие каскады связан с полупроводниковыми ключами, подключенными к плюсовой шине системы электроснабжения, а выход второго канала связан с ключами, подключенными к минусовой шине, причем каждый канал имеет два входа, первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, отличающаяся тем, что нагрузки системы электроснабжения через контактор и буферный аккумулятор соединены с шинами постоянного тока инвертора, а к клеммам питания нагрузок присоединен измерительный орган напряжения, выход которого через усилитель присоединен ко вторым входам каждого канала широтно-импульсного модулятора, причем система снабжена контроллером числа оборотов ротора электрической машины, который через пороговый элемент соединен с переключателем электропитания блоков управления режимами запуска и генерирования с регулированием величины выходного напряжения системы электроснабжения нагрузок постоянным током.