УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ НА БОРТУ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2013 года по МПК H02P9/44 H02P5/74 B60L11/08 

Область техники

Настоящее изобретение касается устройства и способа электрического питания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата.

В дальнейшем с целью упрощения описания в качестве примера будет рассматриваться летательной аппарат типа самолета.

Уровень техники

Асинхронная электрическая машина (асинхронный двигатель) является электромагнитным приводом, широко применяемым в области авиации. Действительно, такая машина имеет много преимуществ благодаря своему простому принципу работы, своей надежности и простоте изготовления.

В системной архитектуре самолетов широко используют трехфазный асинхронный двигатель в вариантах применения, требующих приведения в действие механических устройств, таких как гидравлические насосы, топливные насосы или вентиляторы.

В первое время питание асинхронных машин через электрические распределительные шины не создавало особых проблем, поскольку напряжение и частота питания поддерживались при постоянных значениях (115 В переменного напряжения, 400 Гц). В связи с все большим использованием бортовых систем бортовые электрические сети постепенно преобразуются в сети с переменной частотой (360-800 Гц), что позволяет упростить и повысить надежность систем генерирования электрической энергии.

Однако если увеличивать частоту питания асинхронной машины в широком частотном диапазоне, сохраняя при этом постоянное значение напряжения, максимальный поток в воздушном зазоре уменьшается и, следовательно, максимальный механический момент, создаваемый машиной, уменьшается в очень больших пропорциях для высоких частот: максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату частоты. Таким образом, «непосредственное» питание такой машины от сети переменной частоты влечет за собой увеличение массы, а также снижение КПД, что является недостатком.

Возможным решением этой технической проблемы является добавление статического преобразователя (силовой электроники) между распределительной шиной переменной частоты и асинхронной машиной, чтобы воссоздать фиксированные напряжение и частоту путем преобразования электрической энергии. Преимуществом такого решения является сохранение возможности использования асинхронных машин на самолетах, использующих бортовые сети переменной частоты. Однако это решение требует добавления к асинхронной машине статического преобразователя с двумя ступенями преобразования (выпрямитель + инвертор), что на порядок снижает надежность данной системы.

Настоящее изобретение призвано решить эту техническую проблему и предложить устройство и способ электрического питания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата, которые обеспечивают одновременно простое и надежное решение без увеличения массы и без применения силовой электроники.

Сущность изобретения

Объектом настоящего изобретения является устройство электрического питания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата, например, самолета, в котором электрическая распределительная шина переменной частоты подает питание на упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину. Устройство содержит, по меньшей мере, один источник типа ПОНЧ, в котором и напряжение, и частота являются переменными, но с постоянным соотношением, и который питает упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину, при этом упомянутая, по меньшей мере, одна асинхронная машина является асинхронным двигателем, по меньшей мере, с двумя беличьими клетками или асинхронным двигателем с глубоким пазом.

В первом варианте выполнения устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит генератор переменного тока с постоянными магнитами.

Во втором варианте выполнения устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит генератор переменного тока типа VFG, управляемый генератором управления.

В третьем варианте выполнения устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит индукционный регулятор и контур регулирования углового положения, который предпочтительно содержит делитель, компаратор по контрольному значению, инвертор малой мощности и привод углового позиционирования.

Объектом изобретения является также способ электрического питания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата, например, самолета, в котором электрическая распределительная шина переменной частоты подает питание на упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину, причем питание упомянутой, по меньшей мере, одной асинхронной машины осуществляют от, по меньшей мере, одного источника типа ПОНЧ, в котором и напряжение, и частота являются переменными, но с постоянным соотношением, и который питает упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину, при этом упомянутая, по меньшей мере, одна асинхронная машина является асинхронным двигателем, по меньшей мере, с одной беличьей клеткой или асинхронным двигателем с глубоким пазом.

В первом варианте выполнения используют генератор переменного тока с постоянными магнитами для реализации источника ПОНЧ.

Во втором варианте выполнения используют генератор типа VFG для реализации источника типа ПОНЧ.

В третьем варианте выполнения используют индукционный регулятор, который питается от сети с фиксированным напряжением и с переменной частотой и в котором квазистатическое положение ротора привязано к отношению напряжения к частоте.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - питание с постоянным напряжением и переменной частотой асинхронной машины.

Фиг.2 - питание типа ПОНЧ асинхронной машины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3А-3С - питание типа ПОНЧ для двигателя с двойной беличьей клеткой.

Фиг.4 - первый вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 - второй вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6А и 6В - третий вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание частных вариантов выполнения

На фиг.1 показано питание с постоянным напряжением и переменной частотой асинхронной машины. На этой фигуре показано изменение максимального момента асинхронной машины в зависимости от напряжения V и частоты f, при этом машина является двигателем с потоком, принудительно создаваемым напряжением и частотой питания. Этот момент С является таким, что С=k(V/f)². Таким образом, кривые на фиг.1 выражают изменение электромагнитного момента асинхронной машины, когда напряжение поддерживают при постоянном значении 115 В и когда частота колеблется от 400 до 800 Гц, при этом кривая 10 соответствует моменту при частоте 400 Гц, кривая 11 соответствует моменту при частоте 600 Гц и кривая 12 соответствует моменту при частоте 800 Гц. Максимальный момент при 800 Гц составляет четверть момента при 400 Гц, поэтому такой режим питания является наименее желательным.

В устройстве в соответствии с настоящим изобретением используют асинхронную машину, питаемую источником типа ПОНЧ ("постоянное отношение напряжения к частоте"), в котором напряжение и частота меняются, но с постоянным соотношением. Кривые на фиг.2 показывают изменение электромагнитного момента такой машины: кривая 20 соответствует моменту при 115В и 400 Гц, кривая 21 соответствует моменту при 172,5 В и 600 Гц, и кривая 22 соответствует моменту при 230В и 800 Гц. Максимальный момент остается неизменным во всем диапазоне изменения частоты. Вместе с тем, момент запуска уменьшается, что может создать некоторые проблемы при полной нагрузке.

На фиг.3А показана деталь конструкции ротора двигателя, называемого «с двойной беличьей клеткой». В этом случае двигатель содержит ротор, содержащий две концентричные беличьи клетки 30 и 31, при этом внешняя клетка 30 имеет высокое сопротивление и низкую индуктивность; внутренняя клетка 31 имеет высокую индуктивность и низкое сопротивление.

На фиг.3В показаны моменты С, создаваемые двумя разными беличьими клетками, при этом кривая 32 соответствует внешней клетке, кривая 33 соответствует внутренней клетке, кривая 34 соответствует общему моменту.

При запуске и на низких скоростях вращения (проскальзывание близко к 1) поле меняется таким образом, что, учитывая скин-эффект, поле почти не проникает в ротор, и только внешняя клетка 30 (с низкой индуктивностью и высоким сопротивлением) оказывает влияние. На высоких скоростях вращения (проскальзывание близко к 0) поле медленно вращается по отношению к ротору и проникает в него глубоко. В этот момент внутренняя клетка 31 (с низким сопротивлением и высокой индуктивностью) осуществляет свое влияние, тогда как внешняя клетка 30 имеет слишком высокое полное сопротивление, чтобы в ней возникали большие токи. Таким образом, последняя теряет свое влияние. На промежуточных скоростях вращения внутренняя клетка 31 и внешняя клетка 30 участвуют в создании момента. Во всех случаях момент двигателя выражается мгновенной суммой моментов, создаваемых внутренней и внешней клетками 31 и 30.

Кривые на фиг.3С отражают поведение по частоте двигателя с двойной беличьей клеткой, питаемого источником типа ПОНЧ в соответствии с настоящим изобретением, при этом кривая 36 соответствует моменту при 115 В и 400 Гц, кривая 37 соответствует моменту при 172,5 В и 600 Гц и кривая 38 соответствует моменту при 330 В и 800 Гц. Такое устройство позволяет также значительно улучшить моменты запуска во всем частотном диапазоне, при этом запуск возможен при полной нагрузке во всем частотном диапазоне. Это же относится и в случае использования так называемых двигателей с «тройной клеткой» или с «глубоким пазом».

Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено для питания асинхронной машины от электрического источника типа ПОНЧ ("постоянное отношение напряжения к частоте"), в котором и напряжение, и частота являются переменными, но с постоянным или почти постоянным соотношением, при этом максимальный магнитный поток машины в воздушном зазоре поддерживается постоянным, следовательно, максимальным электромагнитный момент остается неизменным.

Скорость машины является переменной и напрямую зависит от частоты питания и от механической нагрузки приводимого в действие устройства, что является вполне допустимым, если приводимая в действие механическая система (гидравлический или топливный электронасос) может работать при переменной скорости (добавление на насосе диска с регулируемым наклоном, автоматическое регулирование расхода).

Пусковой момент машины является более низким на высоких частотах, чем на низких частотах. Но использование асинхронного двигателя с ротором типа «двойной беличьей клетки», «тройной беличьей клетки» или «глубокого паза» обеспечивает пуск при полной нагрузке, и использование такой конструкции типа беличья клетка позволяет уменьшить толчок тока при пуске двигателя за счет снижения КПД на несколько пунктов. Если приводимая в действие система является насосом с поворотным диском (насос с регулируемым расходом), первоначальное положение диска может быть таким, что противодействующий момент при пуске оказывается минимальным (нулевой расход в случае насоса).

Далее следует описание нескольких предпочтительных вариантов выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

1. Первый вариант выполнения: использование генератора переменного тока с постоянными магнитами

Этот первый вариант выполнения является простым, надежным и предпочтительным решением. Для реализации источника типа ПОНЧ используют генератор 40 переменного тока с постоянным магнитом, называемый ГПМ. Как показано на фиг.4, этот генератор 40 питает, например, три асинхронные машины M1, M2 и М3 через шину 41 ПОНЧ. Действительно, такой генератор 40 переменного тока «естественным образом» генерирует напряжение ПОНЧ за счет того, что электродвижущая сила Е (ЭДС), производимая движущимися постоянными магнитами, прямо пропорциональна частоте вращения f его механического вала (E=k·f). Если размеры такого генератора переменного тока предусмотреть такими, чтобы реакция якоря была слабой, выходное напряжение будет меняться в незначительной степени в зависимости от нагрузки, и можно считать, что напряжение является почти постоянным при данной частоте.

Кроме того, такой генератор 40 переменного тока с постоянным магнитом обладает низкой чувствительностью к молнии и не требует наличия вычислительных устройств для управления возбуждением.

2. Второй вариант выполнения: использование генератора VFG

Во втором варианте выполнения, показанном на фиг.5, используют генератор ГПЧ (генератор переменной частоты), который питает шину 51 ПОНЧ и которым управляют при помощи генератора БУГ 52 (блока управления генератором) в частном режиме работы: в режиме ПОНЧ. Действительно, вместо поддержания постоянного значения напряжения в точке регулирования (ТР), когда частота или нагрузка меняется, для тока возбуждения применяют правило V/f=k (константа) таким образом, чтобы напряжение V в точке ТР стало пропорциональным частоте f, измеренной генератором БУГ 52. Таким образом, максимальное значение выходного напряжения привязывают к частоте f, получаемой при воздействии на ток возбуждения генератора переменного тока. Такое решение имеет достоинство, заключающееся в том, что при изменении тока нагрузки компенсируется изменение напряжения, обусловленное реакцией якоря. Иначе говоря, обеспечивается возможность поддержания постоянного отношения V/f.

3. Третий вариант выполнения: использование регулятора индукции

Третий вариант выполнения, показанный на фиг.6А, состоит в подключении преобразователя 60 типа «индукционный регулятор» (трансформатор с вращающимся полем) между распределительной шиной и асинхронной машиной.

Питание этого преобразователя 60 происходит при постоянном значении напряжения и при переменной частоте, коэффициент трансформации привязан к скорости двигателя с помощью привода 61 (двигателя) очень низкой мощности.

Этот вариант выполнения позволяет отказаться от использования генератора с источниками питания типа ПОНЧ. Он позволяет использовать главный генератор самолета для того, чтобы продолжать питать обычные нагрузки с фиксированным напряжением и переменной частотой.

Преобразователь 60 позволяет создать распределительную шину 63, предназначенную для нагрузок V/f=константа (ПОНЧ) независимо от остальной части бортовой сети.

Этот вариант выполнения использует электромеханическую структуру, близкую к асинхронному преобразователю, содержащему ротор с обмотками, но при этом ротор является квазистатическим. Положение этого ротора является фиксированным при заданной частоте питания, но его можно изменить, когда частота питания системы меняется. Напряжение V1 соответствует постоянному значению напряжения питания первичной обмотки, получаемому от распределительной шины 63. Напряжение V2 соответствует напряжению, автоматически индуцируемому преобразователем 60 через его вторичную обмотку. Как показано на фиг.6В, выходное напряжение Vs является векторной суммой напряжений V1 и V2, которая будет использована для питания асинхронной машины 62. Данной частоте и данной нагрузке соответствует угловое положение θ. Этот угол θ можно корректировать таким образом, чтобы изменять векторную комбинацию V1 и V2 для сохранения отношения Vs/f=(V1+V2)/f=константа (ПОНЧ) при помощи контура 67 автоматического регулирования углового положения, показанного на фиг.6. Этот контур 67 содержит делитель 64, позволяющий вычислять отношение Vs/f, компаратор 65 с контрольным соотношением Rref, например, 115/409=0,288, выдающий разность ΔR отношения на инвертор 66 малой мощности, управляющий приводом 61 углового позиционирования.

Эти варианты выполнения обеспечивают работу асинхронной машины без использования силовой электроники благодаря применению простых и очень надежных решений, не снижающих надежности самой асинхронной машины.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата. Техническим результатом является упрощение и повышение надежности без увеличения массы и без применения силовой электроники. Устройство и способ электрического питания, по меньшей мере, одной асинхронной машины (M1, М2, М3) содержит, по меньшей мере, один источник типа ПОНЧ (40), в котором напряжение и частота являются переменными, но с постоянным соотношением, и который питает упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину (M1, М2, М3). 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство электропитания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата, характеризующееся тем, что упомянутая, по меньшей мере, одна асинхронная машина запитывается от электрической распределительной шины переменной частоты, при этом устройство содержит индукционный регулятор и контур регулирования углового положения, причем индукционный регулятор подключен между распределительной шиной и асинхронной машиной и позволяет создать распределительную шину, предназначенную для нагрузок V/f = константа (ПОНЧ) независимо от остальной части бортовой сети, где V - напряжение в точке регулирования, f - частота, измеренная генератором, при этом контур регулирования углового положения обеспечивает поддержание постоянным отношение V_s/f, где V_s - напряжение питания асинхронной машины, за счет управления приводом контура регулирования углового положения, причем упомянутая, по меньшей мере, одна асинхронная машина является асинхронным двигателем, по меньшей мере, с двумя беличьими клетками или асинхронным двигателем с глубоким пазом.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что контур регулирования углового положения содержит делитель, средство сравнения с контрольным значением, инвертор малой мощности и привод углового позиционирования.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что летательный аппарат является самолетом.

4. Способ электропитания, по меньшей мере, одной асинхронной машины на борту летательного аппарата, характеризующийся тем, что на упомянутую, по меньшей мере, одну асинхронную машину подают питание с электрической распределительной шины переменной частоты, при этом для подачи питания, по меньшей мере, на одну асинхронную машину используют индукционный регулятор и контур регулирования углового положения, причем индукционный регулятор подключают между распределительной шиной и асинхронной машиной и обеспечивают создание распределительной шины, предназначенной для нагрузки V/f = константа (ПОНЧ) независимо от остальной части бортовой сети, где V - напряжение в точке регулирования, f - частота, измеренная генератором, при этом контур регулирования углового положения обеспечивает поддержание постоянным отношения V_s/f, где V_s - напряжение питания асинхронной машины, за счет управления приводом контура регулирования углового положения, причем упомянутая, по меньшей мере, одна асинхронная машина является асинхронным двигателем, по меньшей мере, с двумя беличьими клетками или асинхронным двигателем с глубоким пазом.

5. Летательный аппарат, содержащий устройство по п.1.

6. Летательный аппарат, содержащий устройство, выполненное с возможностью осуществления способа по п.4.