СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/02 H02P9/00 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии (СПЭЭ). Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.

Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса синхронного генератора при работе со статическим преобразователем электрической энергии в значительной степени определяется величиной входного коэффициента мощности статического преобразователя (χ_cn), поэтому возникает задача повышения величины данного коэффициента.

Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, состоящая из синхронного генератора и статического преобразователя электрической энергии [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.], содержащая шестифазный синхронный генератор с выводом нулевого провода и электромагнитным возбуждением, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя с двумя уравнительными реакторами, и трех низкочастотных LC-фильтров.

Данная система обладает рядом недостатков. Наличие электромагнитного возбуждения синхронного генератора требует введения вращающихся контактов или значительного усложнения конструкции генератора за счет увеличения числа ступеней преобразования электрической энергии, что приводит к уменьшению надежности системы, повышению эксплуатационных расходов и массы. К недостаткам следует отнести также и то, что в составе статического преобразователя имеется шесть уравнительных реакторов. Все они работают на относительно низкой частоте выходного напряжения системы генерирования, поэтому имеют достаточно высокую массу. Кроме этого, синхронный генератор выполняется с успокоительными обмотками с целью уменьшения его выходных реактансов, это требуется для обеспечения независимой коммутации тиристоров в разных выходных фазах статического преобразователя. В этом случае коммутация тиристоров получается «жесткой» с резким обрывом коммутируемого тока, поэтому возникает необходимость применения защитных RC цепей (снаберов напряжения) для снятия перенапряжений на тиристорах. При широком диапазоне изменения частоты и величины напряжения синхронного генератора масса их получается значительной. К недостаткам также относится относительно низкое значение входного коэффициента мощности данной схемы статического преобразователя, что приводит к увеличению массы синхронного генератора. При использовании данной схемы статического преобразователя в системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения появляется еще один недостаток, обусловленный тем, что повышение величины выходного напряжения приведет к необходимости увеличения класса тиристоров или к необходимости последовательного включения тиристоров. В первом случае, при увеличении класса тиристоров ухудшатся частотные свойства схемы и, как следствие, увеличатся масса и габариты LC-фильтров. Во втором случае, при последовательном включении тиристоров увеличатся масса и габариты статического преобразователя за счет увеличения числа тиристоров и необходимых для деления напряжения на тиристорах снаберов.

Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения [Грабовецкий Г.В., Куклин О.Г., Харитонов С.А. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. Учеб. пособие. - Новосибирск.: НГТУ, 2009. - 320 с.], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, а вторые выводы - к нулевому проводу нагрузки.

Недостатком данной системы является низкое значение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии и, как следствие, увеличенная масса синхронного генератора.

Задача изобретения - снижение массы синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения, содержащей синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранная по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключаются вторые выводы трех мостовых реверсивных выпрямителей, а второй вывод данного непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.

Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.1.

Система генерирования включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре (1), статический преобразователь электрической энергии (2) и трехфазный трансформатор (3).

Выводы трехфазных обмоток генератора (TO₁, TO₂, TO₃) соединены с тремя соответствующими трехфазными входами (TB₁, TB₂, TB₃) непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6). Любая из трехфазных обмоток генератора (TO₁, ТO₂, ТO₃) соединена с первичными обмотками трехфазного трансформатора (3), выходная трехфазная обмотка которого соединена с трехфазным входом ТВ₄ непосредственного преобразователя (7) Для определенности на фиг.1 к первичной обмотке трансформатора (3) подключены выводы трехфазной обмотки ТO₃. Статический преобразователь содержит четыре одинаковых по топологии непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6, 7). Трехфазные входы преобразователей частоты соединены с одноименными трехфазными выводами трехфазных обмоток генератора (TO₁, ТO₂, ТO₃). Каждый непосредственный преобразователь частоты содержит трехфазный мостовой реверсивный выпрямитель (8) и конденсатор низкочастотного фильтра (15).

Трехфазный мостовой реверсивный выпрямитель (8) выполнен по известной схеме [Завалишин Д.А. Ионный преобразователь частоты для регулирования скорости асинхронного двигателя // Электричество. - 1939. - №4], содержащей шесть пар встречно-параллельно включенных тиристоров (9, 10, 11, 12, 13, 14) или шесть симметричных тиристоров (симисторов). Параллельно выходу трехфазного мостового реверсивного выпрямителя (8) соединен конденсатор низкочастотного фильтра (15), вывод которого соединены с выходами 1 и 2 непосредственного преобразователя частоты (4). Вторые выходы непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6) соединены между собой и соединены с выходом 1 непосредственного преобразователя частоты (7), выход 2 которого соединен с нулевым проводом нагрузки (N). Первые выходы непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6) соединены с соответствующими входами трехфазной нагрузки системы генерирования.

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

В соответствии с ГОСТ 19880-74 коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности, пренебрегая активными потерями в статическом преобразователе электрической энергии и полагая, что нагрузка симметрична, выражение для входного коэффициента мощности СПЭЭ примет вид

$${\chi }_{cn}=\frac{P_{н}}{S_{сг}}=\frac{3{Е}_{н\left(1\right)}{I}_{н\left(1\right)}\cos {\phi }_{н(1)}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{1i}{I}_{1i}}}\left(1\right)$$

где: E_н(1), I_н(1) - действующее значение основных гармоник фазного напряжения и тока в нагрузке;

ϕ_н(1) - фазовый сдвиг между током и напряжением нагрузки;

E_1i, I_1i - действующие значения фазных напряжений и токов синхронного генератора.

Напряжения на нагрузке в соответствии с фиг.1 будут определяться с помощью следующих соотношений:

u_нj=u_нoj+u_oo4, j=1, 2, 3,

где u_нo1, u_нo2, u_нo3, u_oo4 - выходные напряжения непосредственных преобразователей частоты НПЧ₁, НПЧ₂, НПЧ₃ и НПЧ₄.

Математически характер изменения углов управления для трех непосредственных преобразователей частоты НПЧ₁, НПЧ₂ и НПЧ₃ обозначим следующим образом α_midl1,2,3 (ω₂t) и определим его в виде соотношения

$${\alpha }_{midlj}\left({\omega }_{2}t\right)={\alpha }_{\sin j}\left({\omega }_{2}t\right)+\frac{\Delta {\alpha }_{midl}\left({\omega }_{2}t\right)}{2},j=\mathrm{1,2,3}\left(2\right)$$

где: $${\alpha }_{\sin j}\left({\omega }_{2}t\right)=\frac{\pi }{2}\left\{1-M\sin \left[{\omega }_{2}t-\left(j-1\right)\frac{2\pi }{3}\right]\right\}$$ - закон изменения углов управления непосредственных преобразователей частоты НПЧ₁, НПЧ₂ и НПЧ₃ при синусоидальном законе управления;

Δα_midl(ϑ₂)=Midl{α₁(ϑ₂), α₂(ϑ₂), α₃(ϑ₂) - комбинированная добавка, характер изменения во времени иллюстрируется фиг.2;

M - глубина модуляции углов управления.

Характер изменения во времени углов управления α_sinl(ω₂t) и α_midl1(ω₂t) показан на фиг.3. Такой способ формирования углов управления α_midlj(ω₂t) позволяет расширить линейный диапазон изменения углов управления α_sinj(ω₂t) в $$\frac{2}{\sqrt{3}}=\mathrm{1,155}$$ раза [Берестов В.М., Харитонов С.А. Анализ синусоидальной ШИМ с натуральной выборкой (методический аспект). Технiчна електродинамiка. Тематический выпуск. Силова електронiка та енергоефективнiсть. Частина 2. Киiв, 2002. - с.31-37]. Однако, как следует из фиг.2, в комбинированной добавке $$\frac{\Delta {\alpha }_{midl}\left({\vartheta }_2\right)}{2}$$ присутствуют гармоники с частотами (6k-3)ω₂, где k=1, 2, 3…, которые приведут к появлению аналогичных составляющих в выходных напряжениях непосредственных преобразователей частоты НПЧ₁, НПЧ₂ и НПЧ₃. Учитывая, что эти гармоники образуют в выходных напряжениях нулевую последовательность, они могут быть компенсированы путем добавления непосредственного преобразователя частоты НПЧ₄ в нулевой провод нагрузки, как это показано на фиг.1, который генерирует напряжение u_oo4, при этом закон управления для этого комплекта выбирается в виде

$${\alpha }_0=\left({\omega }_{2}t\right)=\frac{\Delta {\alpha }_{midl}\left({\omega }_{2}t\right)}{2}\cdot \Im \left(M\right)\left(3\right)$$

где ℑ(M) - функция, которая учитывает изменение коэффициента передачи непосредственных преобразователей частоты НПЧ₁, НПЧ₂ и НПЧ₃ по гармонике с частотой (6k-3)ω₂ в зависимости от глубины модуляции M. Так например, в случае линейной компенсации влияния глубины модуляции ℑ(M)=1-0.13528·M. При таком управлении гармоники порядка (6k-3)ω₂ в нагрузке отсутствуют, но происходит увеличение основной гармоники напряжений на нагрузке по отношению к аналогичным напряжениям в системе прототипа, где изменение углов управления осуществляется в соответствии с соотношением α_sinj(ω₂t).

Проведенный анализ показывает, что действующие значения основных гармоник напряжения на нагрузке можно оценить с помощью соотношений:

$$E_{н(1)SIN}=2.34\cdot 2J_1\left(M\frac{\pi }{2}\right)E_1$$ - для СПЭЭ прототипа;

$$E_{н(1)MIDL}=2.34\cdot 2\left\{J_1{\left(M\frac{\pi }{2}\right)}_1{J}_0\left(M\frac{3\sqrt{3}}{16}\right)+\left[J_2{\left(M\frac{\pi }{2}\right)}_1-J_4{\left(M\frac{\pi }{2}\right)}_1\right]J_1\left(M\frac{3\sqrt{3}}{16}\right)\right\}{E}_1$$ - для СПЭЭ предлагаемой системы.

На фиг.4 показано как изменяется отношение в функции глубины модуляции {М}, откуда следует, что в предложенной системе действующее значение основной гармоники напряжения на нагрузке увеличивается на 8.5÷14.5%. В соответствии с соотношением (1) настолько же процентов происходит увеличение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии (χ_сг) и на 7.8÷12.7% уменьшается установленная мощность (S_сг) и масса синхронного генератора.

Снижение массы синхронного генератора является весьма важным фактором, т.к. СГ консольно подключен к маршевому авиационному двигателю. Введение дополнительного вентильного комплекта ВК₄ незначительно увеличит массу системы генерирования, т.к. при симметричной нагрузке ток основной гармоники будет равен нулю, а высокочастотные токи будут значительно подавлены с помощью индуктивностей рассеяния трансформатора TP (3) или специально установленных дросселей в выходные фазы ТР.

Таким образом, предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока имеет меньшую массу синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.

Изобретение: в области электротехники. Технический результат - снижение массы синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии. Система содержит синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя (МРВ) с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов МРВ подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки. Вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранная по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключаются вторые выводы трех МРВ, а второй вывод введенной фазы непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования. 4 ил.

Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, отличающаяся тем, что вводят еще одну фазу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранную по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединяют с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключают вторые выводы трех мостовых реверсивных выпрямителей, а второй вывод введенной фазы непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.