БЕСЩЕТОЧНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ Российский патент 2023 года по МПК H02P9/10 H02K19/16 

Область техники

[1] Изобретение относится к бесщеточным синхронным генераторам, главным образом предназначенным для использования на летательных аппаратах.

Предпосылки к созданию изобретения

[2] Традиционный бесщеточный синхронный генератор (далее - бесщеточный генератор), предназначенный для использования на летательном аппарате совместно с газотурбинным двигателем, содержит три последовательно соединенных друг с другом синхронных генератора, а именно: подвозбудитель, возбудитель и основную генерирующую машину. Индуктор подвозбудителя, якорь возбудителя и индуктор основной генерирующей машины закреплены на приводном валу бесщеточного генератора, и соответственно, являются роторами. Одновременно с этим в качестве статоров выступают якорь подвозбудителя, индуктор возбудителя и якорь основной генерирующей машины, которые расположены на корпусе бесщеточного генератора.

[3] Индуктор подвозбудителя содержит постоянные магниты, поэтому для создания ЭДС в обмотке якоря подвозбудителя достаточно самого факта вращения приводного вала, что обеспечивает автономность работы подвозбудителя и бесщеточного генератора в целом. Закрепленный на корпусе первичный выпрямитель преобразует переменный ток, протекающий в обмотке якоря подвозбудителя, в постоянный ток, который подается на обмотку индуктора возбудителя, в результате чего в обмотке якоря возбудителя также индуцируется переменная ЭДС и протекает переменный ток.

[4] Обмотка якоря возбудителя, в свою очередь, соединена с обмоткой индуктора основной генерирующей машины через основной выпрямитель, поэтому в обмотке индуктора основной генерирующей машины протекает постоянный ток. Индуцируемая в обмотке якоря основной генерирующей машины переменная ЭДС создает на концах данной обмотки переменное напряжение, которое является выходным напряжением бесщеточного генератора, и которое поступает в бортовую электрическую сеть летательного аппарата (далее - бортовая сеть). Следует отметить, что основной выпрямитель расположен на приводном валу, что позволяет избежать использования щеток для передачи электрического тока на основной выпрямитель и от него, или другими словами, реализовать концепцию бесщеточного генератора.

[5] Специфика эксплуатации на летательном аппарате накладывает на бесщеточный генератор требование по стабилизации напряжения в бортовой сети, что осложняется широкими диапазонами изменения как частоты вращения приводного вала, так и мощности, потребляемой бортовой сетью (далее - нагрузка). Традиционно данная проблема решается посредством соответствующего регулирования напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя, для чего между первичным выпрямителем и обмоткой индуктора возбудителя включают блок управления возбудителем. Управление напряжением возбуждения позволяет поддерживать выходное напряжение на заданной величине при таком изменении нагрузки, которое соответствует нормальному режиму эксплуатации бесщеточного генератора, т.е. при подключении к бортовой сети или отключении от нее отдельных потребителей электроэнергии (далее - потребители), не оказывающих существенного влияния на нагрузку.

[6] Одновременно с этим блок управления возбудителем должен обеспечивать защиту бесщеточного генератора при работе в аварийном режиме, который задействуется в случае возникновения в бортовой сети короткого замыкания. Данная аварийная ситуация характеризуется тем, что нагрузка на бесщеточном генераторе исчезает, а ток в короткозамкнутой цепи, включающей в себя обмотку основной генерирующей машины и участок бортовой сети, на котором произошло короткое замыкание (далее - поврежденный участок), многократно увеличивается, что в свою очередь, может привести к выходу бесщеточного генератора из строя.

[7] Патентная публикация US2016141988A1, 19.05.2016 раскрывает бесщеточный синхронный генератор, блок управления которого при возникновении в бортовой сети короткого замыкания прекращает подачу напряжения на индуктор основной генерирующей машины. Таким образом, данный бесщеточный генератор, являющийся прототипом изобретения, способен в указанной аварийной ситуации по существу незамедлительно обесточивать бортовую сеть и тем самым сохранять свою работоспособность. Однако прототипу изобретения свойственен существенный недостаток, связанный с тем, что незамедлительное прекращение подачи напряжения со стороны бесщеточного генератора оставляет поврежденную бортовую сеть в законсервированном виде, лишая ее возможности к восстановлению. При последующем включении бесщеточного генератора аварийная ситуация с большой вероятностью повториться вновь.

[8] В то же время представляется целесообразным, чтобы поврежденный участок был изолирован от бортовой сети, например путем срабатывания предохранителя, расположенного на данном участке. В случае успешного отключения поврежденного участка от бортовой сети бесщеточный генератор может продолжить работу в нормальном режиме, обеспечивая питание для тех потребителей, которые сохранили свое соединение с бортовой сетью. Тем не менее для срабатывания предохранителя требуется время, в течение которого поврежденный участок должен находиться под напряжением даже в условиях короткого замыкания, а бесщеточный генератор при этом должен сохранять свою работоспособность. С учетом того, что число одновременно появившихся поврежденных участков может быть больше одного, бесщеточный генератор должен быть способен к эксплуатации в данном аварийном режиме в течение достаточно продолжительного времени.

[9] Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании бесщеточного генератора, способного сохранять собственную работоспособность в условиях короткого замыкания в бортовой сети и при этом обеспечивать подачу напряжения для восстановления бортовой сети.

Сущность изобретения

[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве изобретения предложен генератор электрического тока, содержащий основную генерирующую машину, возбудитель и блок управления возбудителем. Якорь основной генерирующей машины и индуктор возбудителя закреплены на корпусе генератора, а индуктор основной генерирующей машины и якорь возбудителя закреплены на валу генератора. Блок управления возбудителем способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя в двух режимах. Когда сила выходного тока генератора меньше пороговой силы тока, блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы выходное напряжение генератора стремилось к заданному напряжению. Когда сила выходного тока генератора равна или превышает пороговую силу тока, блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы сила выходного тока генератора стремилась к пороговой силе тока.

[11] Технический результат изобретения состоит в том, что при возникновении в бортовой сети короткого замыкания блок управления возбудителем не отключает генератор от бортовой сети, а снижает выходное напряжение до безопасного уровня, создавая условия для срабатывания предохранителей на поврежденных участках, и обеспечивая тем самым изолирование этих участков от бортовой сети. Благодаря этому удается предотвратить выход генератора из строя и восстановить работу бортовой сети.

[12] Причинно-следственная связь между признаками изобретения и техническим результатом заключается в следующем. Если сила выходного тока генератора меньше пороговой силы тока, то условия эксплуатации генератора соответствуют нормальному режиму, и блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы выходное напряжение генератора стремилось к заданному напряжению. Если же сила выходного тока генератора равна или превышает пороговую силу тока, то это свидетельствует о возникновении короткого замыкания в бортовой сети, или другими словами, о необходимости перевода генератора в аварийный режим эксплуатации. В этом случае блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы сила выходного тока генератора стремилась к пороговой силе тока, которая является безопасной для генератора и способна обеспечить срабатывание предохранителей на поврежденных участках бортовой сети.

[13] В частном случае изобретения обмотка якоря основной машины содержит несколько фаз, соединенных «звездой», при этом выходное напряжение генератора представляет собой фазное напряжение, а выходной ток генератора является током, протекающим в фазе. Данное исполнение позволяет использовать изобретение в летательном аппарате, бортовая сеть которого выполнена с нейтральным проводом.

[14] В другом частном случае изобретения обмотка индуктора возбудителя включена в мостовую схему, образованную четырьмя транзисторами и соединенную с источником постоянного напряжения. Блок управления возбудителем при этом способен управлять транзисторами так, чтобы регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя посредством широтно-импульсной модуляции напряжения. Данное исполнение обеспечивает два канала управления возбуждением, что повышает надежность генератора при выходе из строя транзисторов одного канала. Кроме того, мостовая схема на основе транзисторов обеспечивает более точную и быструю регулировку напряжения, а также выделяет меньше тепла по сравнению, например, с электрической цепью возбуждения, в которой напряжение регулируется посредством резистора с изменяемым сопротивлением.

[15] В развитии этого частного случая изобретения блок управления возбудителем способен изменять полярность напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя на противоположную. В этом исполнении при возникновении в бортовой сети короткого замыкания напряжение на концах обмотки якоря возбудителя, а вместе с ним и выходное напряжение бесщеточного генератора может быть снижено за меньшее время. Соответственно, уменьшается время работы генератора с высоким выходным током, а значит уменьшается риск повреждения генератора и бортовой сети.

[16] В еще одном частном случае изобретения источником постоянного напряжения является подвозбудитель в паре с выпрямителем, причем индуктор подвозбудителя, содержащий постоянный магнит, закреплен на валу генератора, а якорь подвозбудителя закреплен на корпусе генератора. В данном исполнении бесщеточный генератор является полностью автономным, что позволяет использовать его на летательном аппарате. Здесь обратим внимание, что в контексте настоящего изложения понятие «постоянное напряжение» включает в себя также и выпрямленное напряжение, характеризующееся неизменной полярностью, но некоторой амплитудой изменения величины.

Краткое описание чертежей

[17] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:

Фиг. 1 - схематическое изображение бесщеточного генератора, выполненного согласно изобретению;

Фиг. 2 - функциональная блок-схема модуля возбуждения;

Фиг. 3 - схема соединения бесщеточного генератора с бортовой сетью;

Фиг. 4 - блок схема, иллюстрирующая алгоритм работы блока управления возбудителем.

Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов бесщеточного генератора и бортовой сети, а также их причинно-следственную связь с техническим результатом.

Осуществление изобретения

[18] Осуществление изобретения будет показано на наилучших примерах реализации изобретения, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.

[19] Бесщеточный генератор 1 (Фиг. 1) содержит корпус 10, в первом и втором торцевых щитах 11 и 12 которого установлены соответственно первый и второй подшипники 21 и 22, удерживающие приводной вал 20 с возможностью его вращения. Первый торцевой щит 11 снабжен фланцевым участком (не показан), предназначенным для вхождения в контакт с опорным элементом летательного аппарата, что позволяет осуществить консольное закрепление бесщеточного генератора 1 на летательном аппарате. На свободном конце приводного вала 20, расположенном со стороны первого подшипника 21, выполнена приводная шестерня 23, которая предназначена для вхождения в зацепление с шестерней редуктора, передающего крутящий момент от двигателя летательного аппарата на приводной вал 20.

[20] Бесщеточный генератор 1 включает в себя три синхронных генератора: основную генерирующую машину 40, возбудитель 50 и подвозбудитель 60. Индуктор 41 основной генерирующей машины, якорь 52 возбудителя и индуктор 61 подвозбудителя закреплены на приводном валу 20 и являются роторами в своих генераторах 40, 50, 60 соответственно. Одновременно с этим, в качестве статоров генераторов 40, 50, 60 выступают соответственно якорь 42 основной генерирующей машины, индуктор 51 возбудителя и якорь 62 подвозбудителя, которые закреплены на корпусе 10.

[21] Индуктор 61 подвозбудителя снабжен тангенциально намагниченными постоянными магнитами 63, которые размещены в теле сердечника, выполненного, как и другие сердечники генераторов 40, 50, 60, в виде пакета листов из электротехнической стали. Якорь 62 подвозбудителя имеет трехфазную обмотку 64, на концах которой при вращении индуктора 61 возникает трехфазное переменное напряжение. Обмотка 64 соединена с однофазной обмоткой 53 индуктора 51 возбудителя через модуль 70 возбуждения.

[22] Модуль 70 возбуждения предназначен для выпрямления переменного трехфазного напряжения, выдаваемого обмоткой 64, и такого изменения полученного постоянного напряжения, чтобы постоянное напряжение U₅₃ на концах обмотки 53 было равным целевому постоянному напряжению U₁, величина которого определяется согласно сигналу 79 обратной связи. Поскольку модуль 70 возбуждения соединен с неподвижными обмотками 64 и 53, то он может быть закреплен, например на корпусе 10, или может быть вынесен за пределы бесщеточного генератора 1.

[23] Якорь 52 возбудителя имеет трехфазную обмотку 54, на концах которой при вращении якоря 52 возникает трехфазное переменное напряжение. Обмотка 54 соединена с однофазной обмоткой 43 индуктора 41 основной генерирующей машины через основной выпрямитель 30, который будучи закрепленным на приводном валу 20, вращается вместе с обмотками 54, 43 и обеспечивает подачу на концы обмотки 43 постоянного напряжения. Постоянный ток, протекающий во вращающейся обмотке 43, создает магнитное поле, под действием которого на концах трехфазной обмотки 44 якоря 42 основной генерирующей машины возникает трехфазное переменное напряжение, являющееся выходным напряжением U₄₄ бесщеточного генератора 1.

[24] Следует отметить, что трехфазная обмотка 44, также как упомянутые выше трехфазные обмотки 64 и 54, имеет соединение по типу «звезда», и под трехфазным переменным напряжением понимается совокупность напряжений между каждой отдельной фазой u, v, w (Фиг. 3) и нейтральным проводом N (далее - фазное напряжение). В контексте настоящего изложения выходное напряжение U₄₄ приравнивается к максимальному фазному напряжению обмотки 44. В частности, на фазе w фазное напряжение U_w определяется измерительным устройством 230, и аналогичные измерительные устройства могут быть подключены к фазам u и v.

[25] Далее, каждая фаза u, v, w бесщеточного генератора 1 соединена с одноименной силовой шиной бортовой сети 2, а нейтральный провод N бесщеточного генератора 1 соединен с нейтральной шиной бортовой сети, как это показано на Фиг. 3. Подключение какого-либо потребителя к бортовой сети 2 осуществляется путем его соединения с одной из силовых шин u, v, w с одной стороны и с нейтральной шиной N с другой стороны. Например, агрегаты 201, 202, 203 и 204, представляющие собой первую группу потребителей, соединены одной своей стороной с силовой шиной w, а другой своей стороной - с нейтральной шиной N. Аналогично этому, вторая группа потребителей имеет соединение с силовой шиной v и нейтральной шиной N, а третья группа потребителей имеет соединение с шинами u и N. Для специалиста в данной области техники очевидно, что потребители должны быть распределены по силовым шинам так, чтобы на каждой из силовых шин обеспечивалась симметричная нагрузка по отношению к другим.

[26] Когда бесщеточный генератор 1 подключен к бортовой сети 2, через фазы u, v, w обмотки 44 протекают фазные токи с силами I_u, I_v, I_w соответственно, при этом сила I₄₄ выходного тока бесщеточного генератора 1 приравнивается к максимальной силе фазного тока. Как видно на Фиг. 3, на фазе w сила I_w фазного тока определяется измерительным устройством 240, при этом аналогичные измерительные устройства могут быть подключены к фазам u и v.

[27] Как было отмечено выше, для обеспечения надежного функционирования электрооборудования летательного аппарата и самого бесщеточного генератора 1 выходное напряжение U₄₄ следует поддерживать на заданной величине U₀ как во всем диапазоне изменения нагрузки со стороны бортовой сети 2, так и во всем диапазоне изменения частоты вращения приводного вала 20. Поскольку выходное напряжение U₄₄ зависит также от величины напряжения на концах обмотки 54, то посредством соответствующего регулирования постоянного напряжения U₅₃, подаваемого на концы обмотки 53, можно компенсировать влияние как со стороны нагрузки, так и со стороны источника крутящего момента с тем, чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения U₄₄.

[28] Модуль 70 возбуждения содержит выпрямитель 71, мостовую схему 80 и блок 72 управления возбудителем. Обратим внимание на то, что в контексте настоящего изложения такие понятия как «модуль 70 возбуждения», «блок управления 72 возбудителем» и т.п. отражают прежде всего описанное здесь функциональное содержание обозначаемых ими блоков, при этом техническая реализация этих блоков является очевидной для специалиста в данной области техники и может иметь различную конфигурацию. Например, каждый из указанных блоков может быть выполнен в виде отдельного физически обособленного устройства или может быть выполнен без физического обособления в составе более сложного устройства. Одновременно с этим возможно исполнение, когда компоненты какого-либо из указанных блоков могут быть распределены по разным устройствам.

[29] Выпрямитель 71 представляет собой известную специалисту в данной области техники трехфазную мостовую схему, дополненную сглаживающим емкостным фильтром. Тем не менее, выпрямитель 71 может иметь любую другую конфигурацию, подходящую для использования в модуле 70 возбуждения.

[30] С учетом сделанного выше допущения, что выпрямленное напряжение приравнивается к постоянному напряжению, в бесщеточном генераторе 1 подвозбудитель 60 в паре с выпрямителем 71 рассматриваются в качестве источника постоянного напряжения. Следует, однако, отметить, что в отдельных исполнениях бесщеточный генератор 1 может не содержать подвозбудителя 60 и выпрямителя 71, и тогда в качестве источника постоянного напряжения выступает внешний источник питания.

[31] Мостовая схема 80 образована четырьмя транзисторными ключами 81, 82, 83, 84 (далее - транзисторы), которые в указанном порядке последовательно соединены друг с другом с образованием замкнутого контура, причем одна диагональ данного контура подключена к выпрямителю 71, а другая - к обмотке 53. Обмотка 53 может быть соединена с выпрямителем 71 либо через пару транзисторов 81 и 83, либо через пару транзисторов 82 и 84. Транзисторы неработающей пары остаются закрытыми, т.е. не проводящими электрический ток. В работающей паре один транзистор находится в открытом состоянии, а другой способен чередовать свои открытое и закрытое состояния, что позволяет соответственно замыкать и размыкать электрическую цепь между обмоткой 53 и выпрямителем 71.

[32] Блок 72 управления возбудителем способен получать сигнал 79 обратной связи, содержащий информацию о текущих, а опционально и о прогнозируемых значениях выходного напряжения U₄₄ и частоты вращения приводного вала 20. На основе сигнала 79 обратной связи блок 72 управления возбудителем способен рассчитывать целевое постоянное напряжение U₁, которое в качестве постоянного напряжения U₅₃ должно быть подано на концы обмотки 53 для того, чтобы выходное напряжение U₄₄ стало равным заданному напряжению U₀.

[33] Кроме того, блок 72 управления возбудителем выполнен с возможностью такого управления работающей парой транзисторов мостовой схемы 80, чтобы в результате чередования периодов замыкания и размыкания электрической цепи между обмоткой 53 и выпрямителем 71 усредненное по времени постоянное напряжение U₅₃ на концах обмотки 53 было равно целевому постоянному напряжению U₁. Другими словами, блок 72 управления возбудителем регулирует постоянное напряжение U₅₃ посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения.

[34] Например, транзисторы 81 и 83 представляют собой транзисторы неработающей пары и потому остаются закрытыми. В этом случае ток от выпрямителя 71 течет через транзистор 82, обмотку 53 и транзистор 84, т.е. в направлении стрелки 2. Если, например, транзистор 82 постоянно находится в открытом состоянии, а транзистор 84 под управлением блока 72 управления возбудителем чередует свои открытое и закрытое состояния, то при определенном соотношении периодов открытого и закрытого состояний транзистора 84 усредненное по времени постоянное напряжение U₅₃ на концах обмотки 53 станет равным целевому постоянному напряжению U₁, а выходное напряжение U₄₄ станет равным заданному напряжению U₀. Следует отметить, что возможны и другие алгоритмы управления транзисторами 82 и 84 для осуществления ШИМ напряжения.

[35] Описанное выше регулирование постоянного напряжения U₅₃, выполняемое так, чтобы выходное напряжение U₄₄ генератора стремилось к заданному напряжению U₀, соответствует нормальному режиму эксплуатации бесщеточного генератора 1, при котором каждый подключенный к бортовой сети 2 потребитель получает заданное напряжение U₀ или близкое к нему. Однако в случае наступления аварийной ситуации, связанной с возникновением короткого замыкания в бортовой сети 2, эксплуатация бесщеточного генератора 1 в нормальном режиме становится невозможной. В контексте настоящего изложения под коротким замыканием понимается такое соединение между силовой и нейтральной шинами бортовой сети 2, которое характеризуется чрезвычайно малым сопротивлением. Данная аварийная ситуация приводит к тому, что получаемое потребителями напряжение снижается практически до нуля, при этом увеличение постоянного напряжения U₅₃ способно лишь увеличить силу тока в короткозамкнутой цепи, что только усиливает опасные последствия короткого замыкания.

[36] Тем не менее для восстановления работоспособности бортовой сети 2 ее поврежденные участки должны быть изолированы, что достигается при срабатывании предохранителей, расположенных на поврежденных участках. Действие используемых для данных целей предохранителей обычно основано на тепловом эффекте, который проявляется при протекании тока с заранее установленной пороговой силой или выше нее через чувствительный элемент предохранителя, а значит для срабатывания предохранителя подачу напряжения в бортовую сеть 2 необходимо продолжать. Именно поэтому при возникновении короткого замыкания в бортовой сети 2 блок 72 управления возбудителем переводит бесщеточный генератор 1 в аварийный режим эксплуатации, в котором в отличие от прототипа подача напряжения на обмотку 43 не прекращается, а продолжается с изменением принципа регулирования постоянного напряжения U₅₃.

[37] Возвращаясь к Фиг. 3, обратим внимание, что агрегаты 201-204 соединены с бортовой сетью 2 через предохранители 211-214, которые представляют собой плавкие предохранители, срабатывающие при расплавлении их чувствительных элементов. Как было отмечено ранее, разогрев чувствительного элемента какого-либо из предохранителей 211-214 до момента его расплавления требует некоторого времени, в течение которого через данный предохранитель должен протекать ток, имеющий силу тока, равную заранее установленной пороговой силе I₀ тока или выше нее.

[38] Далее, на Фиг. 3 отображен случай, когда короткое замыкание произошло одновременно в агрегатах 201 и 202, что например, может быть следствием механического повреждения отсека, в котором они расположены. Агрегаты 203 и 204 идентичны агрегатам 201 и 202 соответственно, и представляют собой резервные агрегаты, которые подлежат включению, когда система управления летательного аппарата определяет, что основные агрегаты 201 и 202 вышли из строя. Однако для включения резервных агрегатов 203 и 204 следует подать на них напряжение, что невозможно осуществить до тех пор, пока от бортовой сети 2 не отключены поврежденные агрегаты 201 и 202. Следует отметить, что указанная функция агрегатов 203 и 204 приведена в качестве примера, при этом агрегаты 203 и 204 могут представлять собой любые другие агрегаты, не связанные с агрегатами 201, 202 и имеющие постоянное подключение к шинам w и N.

[39] На Фиг. 4 представлен алгоритм работы блока 72 управления возбудителем, который будет пояснен на примере бортовой сети 2 с Фиг.3. Алгоритм с Фиг. 4 представляет собой функционально обособленный фрагмент полного процесса работы блока 72 управления возбудителем, при этом указанный полный процесс включает в себя множество повторений алгоритма с Фиг. 4, выполняемых незамедлительно друг за другом. Другими словами, на следующем повторении алгоритма с Фиг. 4 операция «Запуск» выполняется сразу после операции «Конец» предыдущего повторения алгоритма.

[40] На Этапе 1 алгоритма с Фиг. 4 блок 72 управления возбудителем получает от измерительных устройств 240 данные о силе I₄₄ выходного тока, после чего переходит к Этапу 2.

[41] На Этапе 2 блок 72 управления возбудителем сравнивает силу I₄₄ выходного тока с пороговой силой I₀ тока. Если сила I₄₄ выходного тока меньше пороговой силы I₀ тока, то блок 72 управления возбудителем определяет, что короткое замыкание в бортовой сети 2 отсутствует, а бесщеточный генератор 1 должен эксплуатироваться в нормальном режиме.

[42] Таким образом, при получении на Этапе 2 результата сравнения «Да», блок 72 управления возбудителем переходит к Этапу 3, на котором блок 72 управления возбудителем получает от измерительных устройств 230 данные о выходном напряжении U₄₄. После выполнения Этапа 3 блок 72 управления возбудителем переходит к Этапу 4.

[43] На Этапе 4 блок 72 управления возбудителем сравнивает выходное напряжение U₄₄ с заданным напряжением U₀. Если выходное напряжение U₄₄ отличается от заданного напряжения U₀, что соответствует результату сравнения «Нет», то блок 72 управления возбудителем переходит к Этапу 5. Данная ситуация является ситуацией, когда агрегаты 201-204 не получают напряжение, равное заданному напряжению U₀, причиной чему могло послужить, например, изменение частоты вращения приводного вала или изменение нагрузки.

[44] На Этапе 5 блок 72 управления возбудителем последовательно выполняет две операции, первая из которых состоит в определении целевого постоянного напряжения U₁, а вторая - в подаче на концы обмотки 53 обновленного постоянного напряжения U₅₃, равного целевому постоянному напряжению U₁. Целевое постоянное напряжение U₁ при этом определяется исходя из того, чтобы при подаче на концы обмотки 53 обновленного постоянного напряжения U₅₃, равного целевому постоянному напряжению U₁, выходное напряжение U₄₄ стало равно заданному напряжению U₀. Расчет целевого постоянного напряжения U₁ при известных параметрах бесщеточного генератора 1 является очевидным специалисту в данной области техники.

[45] Далее алгоритм возвращается к Этапу 1 и при сохранении нормального режима эксплуатации бесщеточного генератора 1 проходит Этапы 1-3, как было описано выше. Если обновление постоянного напряжения U₅₃, выполненное на Этапе 5 предыдущего цикла, привело к тому, что выходное напряжение U₄₄ стало равно заданному напряжению U₀, то на Этапе 4 результатом сравнения становится «Да», и алгоритм завершается. Таким образом, согласно алгоритму, если блок 72 управления возбудителем определяет, что сила I₄₄ выходного тока генератора меньше пороговой силы I₀ тока, то блок 72 управления возбудителем регулирует постоянное напряжение U₅₃ так, чтобы выходное напряжение U₄₄ стремилось к заданному напряжению U₀.

[46] Если же на Этапе 2 выясняется, что сила выходного тока I₄₄ превышает пороговую силу тока I₀, то блок 72 управления возбудителем определяет, что в бортовой сети 2 произошло короткое замыкание, и бесщеточный генератор 1 должен эксплуатироваться в аварийном режиме эксплуатации. Таким образом, при получении на Этапе 2 результата сравнения «Нет», блок 72 управления возбудителем переходит к Этапу 6.

[47] На Этапе 6 блок 72 управления возбудителем последовательно выполняет две операции, первая из которых состоит в определении целевого постоянного напряжения U₂, а вторая - в подаче на концы обмотки 53 обновленного постоянного напряжения U₅₃, равного целевому постоянному напряжению U₂. Целевое постоянное напряжение U₂ при этом определяется исходя из того, чтобы при подаче на концы обмотки 53 обновленного постоянного напряжения U₅₃, равного целевому постоянному напряжению U₂, сила I₄₄ выходного тока стала равной пороговой силе I₀ тока.

[48] Следует отметить, что пороговая сила I₀ тока значительно превышает максимальную силу I₄₄ выходного тока, которая возможна в нормальном режиме эксплуатации бесщеточного генератора 1. Тем не менее пороговая сила I₀ тока установлена так, чтобы эксплуатация бесщеточного генератора 1 в аварийном режиме, когда сила I₄₄ выходного тока становится равна пороговой силе I₀ тока или слегка выше нее, не приводила к повреждению бесщеточного генератора 1 или агрегатов 201-204, подключенных к бортовой сети 2. Например, пороговая сила I₀ тока может превышать максимальную силу I₄₄ выходного тока, которая возможна в нормальном режиме эксплуатации бесщеточного генератора 1, в три раза. Данная величина пороговой силы I₀ тока позволяет достоверно определить возникновение короткого замыкания, а также обеспечить надежное срабатывание предохранителей 211-214.

[49] В случае, показанном на Фиг. 3, когда короткое замыкание произошло на агрегатах 201 и 202, а резервные агрегаты 203 и 204 не могут быть задействованы по причине отсутствия подаваемого на них напряжения, блок 72 управления возбудителем поддерживает такое выходное напряжение U₄₄, при котором через бортовую сеть 2 протекает ток с пороговой силой I₀ тока. Данная ситуация может продолжаться в течение нескольких циклов, включающих Этапы 6-1-2, и по прошествии определенного времени, требуемого на разогрев чувствительных элементов предохранителей 211 и 212, предохранители 211 и 212 срабатывают последовательно друг за другом, при этом первым из них срабатывает предохранитель, включенный в короткозамкнутую цепь с меньшим сопротивлением. Таким образом, согласно алгоритму, если блок 72 управления возбудителем определяет, что сила I₄₄ выходного тока равна или превышает пороговую силу I₀ тока, то блок 72 управления возбудителем регулирует постоянное напряжение U₅₃ так, чтобы сила I₄₄ выходного тока генератора стремилась к пороговой силе тока I₀.

[50] Срабатывание предохранителей 211 и 212 изолирует от бортовой сети 2 поврежденные агрегаты 201 и 202, в результате чего сила I₄₄ выходного тока становится ниже пороговой силы I₀ тока, и при следующем выполнении Этапа 2 блок 72 управления возбудителем переходит к Этапу 3, т.е. переводит бесщеточный генератор 1 в нормальный режим эксплуатации. Поскольку выходное напряжение U₄₄ возрастает до заданного напряжения U₀ или близко к нему, то к бортовой сети 2 могут быть подключены резервные агрегаты 203 и 204, после чего нормальное функционирование бортовой сети 2 можно считать полностью восстановленным.

[51] Далее, хотя в аварийном режиме сила I₄₄ выходного тока значительно превышает таковую, характерную для нормального режима, ввиду чрезвычайно низкого сопротивления короткозамкнутой цепи выходное напряжение U₄₄ в аварийном режиме поддерживается достаточно низким. Более того, когда блок 72 управления возбудителем определяет, что в бортовой сети 2 произошло короткое замыкание, т.е. при первом переходе от Этапа 2 к Этапу 6, во избежание повреждения бесщеточного генератора 1 и функционирующих потребителей, снижение выходного напряжения U₄₄ от заданного напряжения U₀ до величины аварийного режима должно быть произведено достаточно быстро.

[52] Однако быстрому снижению выходного напряжения U₄₄ препятствует сравнительно медленное снижение остаточной намагниченности сердечников индуктора 51 и якоря 52 возбудителя, в результате чего даже очень быстрая подача на концы обмотки 53 обновленного постоянного напряжения U₅₃ не приводит к такому же быстрому изменению напряжения на концах обмотки 54, а значит и на концах обмотки 43.

[53] Тем не менее, когда блок 72 управления возбудителем определяет, что в бортовой сети 2 произошло короткое замыкание, одновременно с подачей обновленного постоянного напряжения U₅₃ он изменяет полярность постоянного напряжения на концах обмотки 53 на противоположную. Для этого блок 72 управления возбудителем переводит прежде работающую пару транзисторов мостовой схемы 80 в неработающую пару и наоборот. В рассматриваемом примере блок 72 управления возбудителем закрывает транзисторы 82, 84 и отрывает транзисторы 81 и 83 (Фиг. 2). Аналогично описанному выше, блок 72 управления возбудителем поддерживает транзистор 83 в открытом состоянии постоянно, а посредством транзистора 81 осуществляет ШИМ напряжения так, чтобы постоянное напряжение U₅₃ было равно целевому постоянному напряжению U₁.

[54] В результате этого ток от выпрямителя 71 течет теперь через транзистор 83, обмотку 53 и транзистор 81, т.е. в направлении стрелки 3, которое противоположно прежнему направлению тока, обозначенному стрелкой 2. Изменение направления тока в обмотке 53 на противоположное вызывает такое же изменение направления магнитного потока, охватывающего индуктор 51 и якорь 52, благодаря чему остаточная намагниченность сердечников индуктора 51 и якоря 52 быстро снимается, а снижение выходного напряжения U₄₄ существенно ускоряется. В то же время поскольку в обмотке 54 индуцируется переменная ЭДС, то изменение направления тока в обмотке 53 не оказывает влияния на напряжение на концах обмотки 54.

[55] Следует также отметить, что включенная в модуль 70 возбуждения мостовая схема 80, состоящей из четырех транзисторов, значительно повышает надежность бесщеточного генератора 1, поскольку даже в случае выхода из строя одного транзистора, сохраняется второй рабочий контур управления постоянным напряжением на концах обмотки 53. Данный контур проходит через пару транзисторов, не включающую в себя поврежденный транзистор, благодаря чему предоставляется возможность осуществления полноценной стабилизации выходного напряжения U₄₄ в нормальном режиме эксплуатации бесщеточного генератора 1.

Изобретение относится к бесщеточным синхронным генераторам, главным образом предназначенным для использования на летательных аппаратах. Технический результат – обеспечение возможности сохранения собственной работоспособности генератора в условиях короткого замыкания в бортовой сети и обеспечения подачи напряжения для восстановления бортовой сети. Генератор электрического тока содержит основную генерирующую машину, возбудитель и блок управления возбудителем. Якорь основной машины и индуктор возбудителя закреплены на корпусе генератора, а индуктор основной машины и якорь возбудителя закреплены на валу генератора. Блок управления возбудителем способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, что, когда сила выходного тока генератора меньше пороговой силы тока, напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя регулируется так, чтобы выходное напряжение генератора стремилось к заданному напряжению. Когда сила выходного тока генератора равна или превышает пороговую силу тока, напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя регулируется так, чтобы сила выходного тока генератора стремилась к пороговой силе тока. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор электрического тока, содержащий основную машину, возбудитель и блок управления возбудителем, причем

якорь основной машины и индуктор возбудителя закреплены на корпусе генератора, а индуктор основной машины и якорь возбудителя закреплены на валу генератора, при этом

блок управления возбудителем способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя, причем

когда сила выходного тока генератора меньше пороговой силы тока, блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы выходное напряжение генератора стремилось к заданному напряжению, а

когда сила выходного тока генератора равна или превышает пороговую силу тока, блок управления возбудителем регулирует напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы сила выходного тока генератора стремилась к пороговой силе тока.

2. Генератор по п. 1, в котором обмотка якоря основной машины содержит несколько фаз, соединенных «звездой», при этом выходное напряжение генератора представляет собой фазное напряжение, а выходной ток генератора является током, протекающим в фазе.

3. Генератор по п. 1, в котором обмотка индуктора возбудителя включена в мостовую схему, образованную четырьмя транзисторами и соединенную с источником постоянного напряжения, а

блок управления возбудителем способен управлять транзисторами так, чтобы регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя посредством широтно-импульсной модуляции напряжения.

4. Генератор по п. 3, в котором блок управления возбудителем способен изменять полярность напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя на противоположную.

5. Генератор по п. 1, в котором источником постоянного напряжения является подвозбудитель в паре с выпрямителем, причем

индуктор подвозбудителя, содержащий постоянный магнит, закреплен на валу генератора, а якорь подвозбудителя закреплен на корпусе генератора.