Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты Российский патент 2023 года по МПК H02P9/02 H02P9/30 H02M5/297 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится, прежде всего, к области авиационной электротехники и может быть использовано при построении систем типа ПСПЧ (переменная скорость – постоянная частота), а также на других подвижных объектах и в малой энергетике (конкретно – в ветроэнергетике).

Уровень техники

В принципе на сегодня уже известно несколько вариантов машинно-электронных генерирующих систем такого класса, обозначаемых в последнее время как МЭГС-2. Один из её вариантов представлен на рис.7, стр. 29 журнала «Электричество», 2020, №7. Это решение МЭГС-2 содержит электрический генератор – ЭГ (в принципе любого типа (кроме генераторов постоянного тока) и два четырёхквадрантных преобразователя – ЧКП-1 со своим блоком управления (БУ-1), а также ЧКП-2 тоже со своим блоком управления (БУ-2). Первый из них (ЧКП-1) подключён к якорной обмотке ЭГ и работает в режиме активного выпрямителя, а второй (ЧКП-2) подключён к выходу ЧКП-1 и работает в инверторном режиме. Каждый из ЧКП выполнен на базе трёхфазной мостовой инверторной схемы (на 6 ключевых элементах – КЭ).

Недостатками настоящего технического решения являются завышенные массогабаритные показатели из-за низкого значения коэффициента использования напряжения ЭГ (0,5 вместо 1), не удовлетворительная работа на не симметричную нагрузку из-за появляющихся чрезмерных амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения, ограничения по мощности (в частности, по напряжению), которые обусловлены ограниченными возможностями реально располагаемой элементной базы (транзисторов), достаточная сложность практической реализации БУ-1.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является решение МЭГС-2, приведённое, например, на рис.4, стр.289 в книге «Труды научно-технической конференции «Электрификация летательных аппаратов» [Текст]/ – М.: Академия Жуковского. – 2016. – 332 с. Оно содержит электрический генератор (ЭГ) с тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), соединёнными по схеме 9-фазная «звезда» (с нулевой точкой), три трёхфазных выпрямительных моста (ТВМ), выходы которых через два трёхобмоточных трансфильтра (ТФ-3) подключены к обкладкам буферного конденсатора, и трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с блоком управления (БУ), причём шины питания ТИН подключены к обкладкам буферного конденсатора, а входы каждого из трёх ТВМ подключены к одной из трёх ТЯО

Недостатками настоящего технического решения являются завышенные массогабаритные показатели из-за низкого значения коэффициента использования напряжения ЭГ (0,5 вместо 1), не удовлетворительная работа на не симметричную нагрузку из-за появляющихся чрезмерных амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения, ограничения по мощности (в частности, по напряжению), которые обусловлены ограниченными возможностями реально располагаемой элементной базы (транзисторов).

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования напряжения ЭГ (в 2 раза).

Технический результат заключается в улучшении показателей качества МЭГС-2, а именно: улучшении массогабаритных показателей ЭГ и МЭГС-2 в целом; расширении области применения по мощности (согласно изобретению) при использовании реальных, ограниченных по рабочему напряжению транзисторов в ТИН; исключении амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения при не симметричной нагрузке; улучшении качества выходного напряжения и снижении за счёт этого массы выходных фильтров, в том числе, за счёт использования более эффективного алгоритма формирования выходного напряжения.

Это достигается тем, что в известной машинно-электронной генерирующей системе (МЭГС-2), содержащей электрический генератор (ЭГ) с индуктором и тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), узел стабилизации напряжения (УСН_j), включающий в себя, по крайней мере, один управляемый ключевой элемент (УКЭ_j) и узел формирования управляющих сигналов (ФСУ_j), содержащий в себе источник питания внутренних нужд (ИПВН) и выполненный с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 (для его стабилизации при реальных возмущающих воздействиях), трёхканальный выпрямительный блок (3-ВБ) в виде трёх трёхфазных выпрямительных мостов (ТВМ), а также трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с выходным фильтром (ВФ) и с блоком управления (БУИ), выполненным с возможностью реализации заданных алгоритмов управления ключами ТИН и с узлом регулирования его фазных напряжений (УРФН), причём входы каждого из трёх ТВМ 3-ВБ подключены к одной из трёх ТЯО, а выходы ТВМ предназначены для подключения их к шинам питания ТИН, по крайней мере, с одним буферным конденсатором, включённым между ними, три ТЯО выполнены гальванически развязанными, причём каждая с топологией «звезда», ТИН выполнен на основе трёх однофазных мостовых инверторов (ОМИ_j), шины питания каждого из которых совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором предназначены для подсоединения их к выходу одного из трёх ТВМ 3-ВБ, один выходной вывод в каждом из ОМИ образует начало одной из трёх фаз МЭГС-2, обозначаемое, соответственно, как «А», «В», «С», а другие выходные выводы (концы) в каждом из ОМИ_j, обозначаемые для трёх фаз соответственно, как «Х», «Y», «Z» , объединены между собой и образуют нулевой вывод трёхфазной системы «0».

ФСУ_j содержит последовательно включённые, по крайней мере, один модулятор ширины импульсов (МШИ_j) и контур отрицательной обратной связи (КООС), причём вход КООС предназначен для подключения его к выходным выводам МЭГС-2, а j-ый выход МШИ _j – к управляющему входу j-го УКЭ _j.

Индуктор ЭГ может быть выполнен с использованием обмотки возбуждения (ОВ), подключённой к выходу УСН₁ (где индекс j=1), который содержит управляемый ключевой элемент – УКЭ_j (где j=1), своими силовыми выводами последовательно соединён с источником питания внутренних нужд (ИПВН₁) и с ОВ индуктора таким образом, что они вместе образует замкнутую цепь, причём управляющий вход УКЭ₁ подключён к выходу МШИ₁ ФСУ₁, а шины питания каждого из трёх ОМИ_j совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором подсоединены к выходу одного из трёх ТВМ непосредственно.

Индуктор ЭГ может быть выполнен с использованием постоянных магнитов, а 3-ВБ выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 и стабилизации его с помощью УСН_j. При этом УСН_j содержит три УКЭ_j(3) (где j =1, 2, 3) и три МШИ_j(3), причём каждый из УКЭ_j подключён между выходными выводами одного из трёх ТВМ 3-ВБ, управляющий вход каждого из УКЭ_j(3) подключён к выходу одного из трёх 3-МШИ_j(3), который выполнен трёхканальным (3-МШИ_j(3)) и обеспечивающим переключение трёх УКЭ_j с тактовой частотой f_т>>f_эг (где f_эг – частота напряжения ЭГ), с регулируемой скважностью S и реализующим фазовый сдвиг между тремя последовательностями выходных импульсов 3-МШИ, сдвинутыми между собой на тактовой частоте f_т на угол 2π/3, управляющие входы 3-МШИ_j(3) объединены и образуют общий управляющий вход, выполненный с возможностью подключения к выходу КООС, а каждый из трёх индивидуальных буферных конденсаторов, включённый между шинами питания одного из ОМИ, одной своей обкладкой подключён к соответствующему выходному выводу одного из ТВМ через разделительный диод.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вариант принципиальной электрической схемы МЭГС-2, выполненной на основе ЭГ с электромагнитным возбуждением – ЭМВ (в простейшем контактном варианте); на фиг. 2 показан вариант ЭГ с возбуждением от постоянных магнитов; на фиг. 3 и фиг. 4 приведены: вариант реализации БУ-1_j для МЭГС-2 по фиг.2 и соответственно временные диаграммы, поясняющие принцип формирования алгоритмов управления УКЭ_j узла стабилизации выходного напряжения (УСН_j) трёх выпрямительных мостов (ТВМ_j); на фиг. 5 представлены осциллограммы токов в трёх каналах одной фазы 3-ЭГ (а, б, в), также результирующий ток этой фазы, определяющий его реакцию якоря (и, в конечном счёте, массу ЭГ); на фиг. 6 показаны осциллограммы рабочих процессов (выходных напряжений МЭГС-2 до фильтра и после фильтра и тока нагрузки), иллюстрирующие эффективность увеличения числа каналов преобразования (М) энергетического потока для снижения массы выходных фильтров.

Осуществление изобретения

МЭГС-2 по фиг. 1 содержит электрический генератор (ЭГ) с электромагнитным возбуждением (3-ЭГ-ЭМВ) 1, который включает в себя индуктор 1.1₁ и три трёхфазные якорные обмотки (ТЯО) 1.2, 1.3, 1.4. В данном примере индуктор 1.1₁ выполнен с обмоткой возбуждения (ОВ), которая зашунтирована обратным диодом 1.5, и подключена к контактным кольцам 1.6, выполненным с возможностью подведения к ОВ мощности возбуждения. Такой контактный вариант возбуждения принят здесь для упрощения изложения существа изобретения. Реально же могут использоваться и бесконтактные варианты исполнения возбуждения ЭГ (один из которых – наиболее простой, приведён на фиг. 2). К трём ТЯО (1.2, 1.3, 1.4) подключены входы трёхканального выпрямительного блока (3-ВБ), каждый канал которого 2, 3, 4 включает в себя 3-фазный выпрямительный мост (ТВМ) 2.1, 3.1, 4.1 и буферный (накопительный) конденсатор на его выходе – 2.2, 3.2, 4.2 соответственно. К обкладкам этих буферных конденсаторов подключены шины питания трёх однофазных мостовых инверторов напряжения (ОМИ_j) 5, 6, 7, которые образуют структуру 3-фазного инвертора напряжения ТИН-3ОМИ . На выходе каждого ОМИ_j установлен Г образный LC фильтр в виде дросселя переменного тока L и конденсатора С (5.1, 6.1, 7.1 и 5.2, 6.2, 7.2 соответственно). Одни обкладки конденсаторов 5.2, 6.2, 7.2 подключены к выходным фазным выводам «А», «В», «С», а другие их обкладки объединены и образуют нулевой выходной вывод «0» системы генерирования МЭГС-2.

Управление ключевыми элементами (УКЭ_j) ОМИ_j 5, 6, 7 обеспечено блоком управления (БУИ) 8, своими выходами подключенным к управляющим входам КЭ ОМИ 5, 6, 7.

Силовые выводы управляемого ключевого элемента УКЭ₁ 9 включёны последовательно в цепи «обмотка возбуждения (ОВ) индуктора 1.1₁ – УКЭ₁ – источник питания внутренних нужд (ИПВН₁) – 10₁.1». Управляющий вход УКЭ₁ 9 подключён к выходу модулятора ширины импульсов (МШИ₁) 10₁.2, который также соединен с ИПВН₁ 10₁.1. Вход МШИ₁ 10₁.2 подключён к выходу контура отрицательной обратной связи (КООС₁) 10₁.3, вход которого (через датчики напряжения, которые входят в КООС₁ и на фиг.1 не показаны) подключён к выходу МЭГС-2. КООС₁ 10₁.3 обеспечивает соответствующее изменение скважности переключения УКЭ₁ 9 (на тактовой частоте f_т>> f₂) для стабилизации выходного напряжения МЭГС-2 при возмущающих воздействиях (по частоте вращения приводного вала и по току нагрузки). ИПВН₁ 10₁.1 выполнен с возможностью получения электропитания от одной из ТЯО 3-ЭГ-ЭМВ. Совокупность узлов 10₁.1, 10₁.2, 10₁.3 составляет формирователь сигналов управления (ФСУ_j(1)) 10₁. В 1-ом варианте МЭГС-2 (индекс j, обозначает число используемых УКЭ, и в варианте МЭГС-2 по фиг. 1 он равен 1, а в варианте по фиг. 2 j=1, 2 , 3).

На фиг. 2 представлен бесконтактный вариант МЭГС-2, индуктор 1.1₂ ЭГ у которого выполнен на основе постоянных магнитов. Поскольку мощность возбуждения здесь регулироваться не может, функция стабилизации выходного напряжения МЭГС-2 выполняется за счёт придания ТВМ 2.1, 3.1, 4.1 (иначе – буферным конденсаторам 2.2, 3.2, 4.2) свойств регулирования их выходного напряжения. Это обеспечено введением в каждый из выпрямительных блоков (ВБ_j) 2, 3, 4 дополнительных элементов – трёх УКЭ_j (2.3, 3.3, 4.3) и трёх разделительных диодов (2.4, 3.4, 4.4). При этом силовые выводы каждого из этих УКЭ_j подключены между выходными выводами постоянного тока одного из ТВМ 2.1, 3.1, 4.1. А каждый из трёх разделительных диодов (2.4, 3.4, 4.4) включён между обкладкой одного из буферных конденсаторов (2.2, 3.2, 4.2) и соответствующим выходным выводом ТВМ постоянного тока, например, верхняя обкладка конденсатора 2.2 через разделительный диод 2.4 подключена к положительному выводу ТВМ 2.1. Введение этих элементов обеспечивает выпрямительным блокам (ВБ_j) 2, 3, 4 новые свойства – помимо выполнения ими функции регулирования напряжения, они обеспечивают нулевой фазовый сдвиг основных гармоник фазных токов в ТЯО_j 1.2, 1.3, 1.4 ЭГ 1 относительно фазных напряжений, что обеспечивает снижение размагничивающего действия реакции ТЯО_j 1.2, 1.3, 1.4 (её размагничивающей силы) на постоянные магниты индуктора 1.1₂, способствуя тем самым снижению их массы. Выполнение таким образом ВБ_j 2, 3, 4 придаёт ему свойства трёхканального ВБ с корректором его входного коэффициента мощности (фиг. 2). Для уменьшения искажений в результирующем токе реакции ТЯО_j (1.2, 1.3, 1.4) ФСУ_j выполнен с возможностью обеспечения последовательного фазового сдвига между алгоритмами переключения УКЭ_j 2.3, 3.3, 4.3 на угол 2π/3 (см. фиг. 3, 4, 5). Пример формы фазного тока (для фазы «А») в трёх каналах приведён на фиг. 5. Индексом j здесь по-прежнему обозначается номер УКЭ_j , который здесь равен j =1, 2, 3. Кроме этого, индекс этот в обоих вариантах МЭГС-2 одновременно используется и для обозначения числа фаз ТИН-3ОМИ (и соответственно числа каналов преобразования энергии).

Принцип построения формирователя сигналов управления (ФСУ_j(3)) для управления УКЭ _j(3) 2.2, 3.2, 4.2 УСН _j(3) иллюстрируется упрощённой блок-схемой на фиг. 3, а принцип его работы – временными диаграммами на фиг. 4. Он содержит генератор импульсов (ГИ) 10₃.1.1 частоты 3f_т; распределитель импульсов (РИ) – 10₃.1.2 с выходными сигналами p_{j (}в форме коротких импульсов тактовой частоты f_т), сдвинутыми между собой по фазе на угол δ=2π/М (в примере на фиг. 4 М=3); блок из М числа генераторов пилообразного напряжения (ГПН_j) – 10₃.1.3; блок из М числа компараторов (К_j) – 10₃.1.4, каждый с тактовым и управляющим входами; и блок драйверов (Д_j) – 11_j (где j =2, 3,… М – число каналов). Взаимосвязи между этими узлами ФСУ_j(3) следующие: вход РИ 10₃.1.2 подключён к выходу генератора импульсов 10₃.1.1; выходы РИ 10₃.1.2 подключены к соответствующим входам ГПН_j 10₃.1.3, выходы которых подсоединены к тактовым входам соответствующих компараторов 10₃.1.4, а выходы последних подключены ко входам соответствующих драйверов 11_j. Управляющие входы М=3 компараторов 11_j при симметричной трёхфазной нагрузке МЭГС- 2 объединены и подключены к выходу одноканального КООС₁, а при не симметричной трёхфазной нагрузке МЭГС- 2 управляющий вход каждого j-го компаратора (К_j) подключён к выходу j-го (индивидуального) КООС_j(3), а вход каждого из них подключён к выходным выводам одной из фаз МЭГС-2. Выходы драйверов Д_j подключены к управляющим входам УКЭ_j 2.3, 3.3, 4.3

Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты работает следующим образом.

Функциональной особенностью МЭГС-2 авиационного применения является достаточно большая кратность изменения частоты вращения приводного вала (ВПВ), определяемая отношением K_n =ω_max/ω_min ≈2÷2,5, где ω_max и ω_{min –} максимальное и минимальное значение частоты ВПВ. При этом МЭГС-2 должен выдавать заданную мощность в этом диапазоне с требуемыми значениями выходных напряжений U_2(1)j (по 1-ой гармонике) и частоты f₂.

В первом варианте МЭГС-2 по фиг.1 при минимальной частоте ВПВ ток возбуждения в ОВ индуктора 1.1₁ имеет максимальное значение. Для этого значение скважности работы S УКЭ₁ 9 ФСУ_j(1) 10₁ задаёт минимальным, т.е. близким к S =1. При этом напряжение на ТЯО 1.2, 1.3, 1.4 ЭГ 1 имеет такое значение, которое обеспечивает заряд буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2 до номинального значения напряжения на них, обеспечивающее номинальное значение выходного напряжения ТИН-3ОМИ.

БУИ 8 выполнен формирующим алгоритмы переключения ключей ОМИ_j, которые обеспечивают форму их выходного напряжения с однополярной ШИМ (ОШИМ) – фиг.6а.

Для обеспечения начального возбуждения (самовозбуждения) МЭГС-2 может использоваться: а) или кратковременное подключение ОВ индуктора 1.1₁ к аккумуляторной батарее, б) или в индукторе может устанавливаться постоянный магнит небольшой мощности.

В авиационном трёхмашинном варианте исполнения ЭГ, например, в ГТ60ПЧ6А, такая доработка (до самовозбуждения) не требуется, так как эта функция в нём уже заложена.

Во втором варианте МЭГС-2 по фиг. 2, поскольку постоянные магниты индуктора 1.1₂ создают магнитный поток, не зависящий от частоты ВПВ, напряжение на выходе ТВМ 2.1, 2.2, 2.3 будет изменяться (в 2÷2,5 раза) пропорционально изменению частоты ВПВ. Для его стабилизации блок 3-ВБ снабжён узлом стабилизации напряжения (УСН _j), и он (3-ВБ –УСН_j) становится регулируемым. Стратегия регулирования в нём напряжения следующая: при максимальной частоте ВПВ ω_max УКЭ_j (2.3, 3.3, 4.3) выключены. При этом 3-ВМЭГ рассчитан таким образом, что при отсутствии нагрузки (т.е. на холостом ходу) выходное напряжение ТИН-3ОИН (должно быть) несколько больше (на 5÷10%) номинального значения напряжения МЭГС-2 – U_2ном. При подключении номинальной нагрузки напряжение МЭГС-2 будет понижаться (на 5÷10%), а его стабилизация осуществляется двумя способами – как в 3-ВБ-УСН _j (посредством его ФСУ_j(3) 10₃), так и в ТИН-3ОИН (посредством его БУИ 8). В самом тяжёлом режиме – при полной нагрузке и частоте ВПВ ω_min режим стабилизации напряжения на уровне U_2ном выполняет ФСУ_j(3) 10₃ (в составе УСН _j(3), фиг. 2).

При не симметричной 3-фазной нагрузке функцию пофазного регулирования выходного напряжения МЭГС-2 выполняет БУИ 8 с КООС₃ 10₃.3.

Алгоритмы переключения УКЭ_j 2.3, 3.3, 4.3 ВБ 2, 3, 4, отличаются между собой лишь их фазовым сдвигом на угол 2π/3 (см. фиг. 4, фиг. 5, см. пунктир). Переключение этих УКЭ_j (с тактовой частотой f_т и с регулируемой скважностью s=2π/θ, где θ – длительность включённого (проводящего) состояния УКЭ_j) реализует ФСУ_j 10₃ (фиг. 2). Его логика работы следующая: при понижении выходного напряжения МЭГС-2 КООС₃ 10₃.3 совместно с МШИ₃ 10₃.2 увеличивают значения угла θ (фиг. 3, фиг. 4) и соответственно увеличивают значения скважности s. В момент замкнутого (проводящего) состояния УКЭ_j (2.3, 3.3, 4.3) ТЯО 1.2, 1.3, 1.4 ВМЭГ попадают в режим короткого замыкания, и ток в них начинает нарастать. Поскольку каждая ТЯО имеет свою индуктивность L_яо (включая индуктивность рассеяния), то к моменту выключения УКЭ_j в них накапливается энергия W_L=1/2(, где – значение тока в момент коммутации. После выключения каждого УКЭ_j накопленная в ТЯО энергия через диоды ВМ 2.1, 3.1, 4.1 и через разделительные диоды 2.4, 3.4, 4.4 передаётся в буферные конденсаторы 2.2, 3.2, 4.2. В результате работы блока УСН_j(3) напряжение на этих буферных конденсаторах стабилизируется во всём диапазоне изменения частоты ВПВ. Далее напряжение (постоянного тока) на каждом из этих конденсаторов инвертируется с помощью инверторных блоков ОМИ_j 5, 6, 7 в 3-фазное переменное напряжение квазисинусоидальной формы – u_2j(t), где j – фазовый индекс, и фильтруется Г образными фильтрами (фиг. 6а).

В данном варианте МЭГС-2 (по фиг.2) дополнительно к возможности регулирования его выходного напряжения в ТИН-3ОМИ появляется ещё одна такая возможность – за счёт регулирования (с помощью ФСУ_j(3)) зарядного тока буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2 путём изменения скважности работы УКЭ_j 2.2, 3.2, 4.2 в 3-ВБ-УСН _j(3).

Таким образом, в первом варианте МЭГС-2 по фиг.1 стабилизация её выходного напряжения осуществляется соответствующим (автоматическим) изменением тока возбуждения в ОВ индуктора 1.1₁. В результате однозначно изменяется и выходное напряжение МЭГС-2 (в направлении его стабилизации). Это обеспечивается УСН₁, включающим в себя один УКЭ₁ 9, одноканальные ИПВН 10₁.1. МШИ₁ 10₁.2, и КООС₁ 10₁.3.

Во втором варианте МЭГС-2 по фиг. 2 стабилизация её выходного напряжения осуществляется с помощью УСН_j(3) соответствующим (автоматическим) изменением зарядного тока буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2. В результате напряжение на этих конденсаторах соответствующим образом (автоматически) изменяется, однозначно изменяется (в направлении стабилизации) и выходное напряжение МЭГС-2. Эта задача решается УСН_j(3) включающим в себя три УКЭ_j(3) – 2.3, 3.3, 4.3 трёхканальный МШИ₃ 10₃.2, КООС₃ 10₃.3 и ИПВН₃ 10₃.1.

Логика работы ФСУ_j(3) 10₃ (фиг. 2, фиг. 3) поясняется временными диаграммами на фиг. 4, на которых показаны: u_ги – импульсная последовательность узких импульсов частоты 3f_т на выходе генератора импульсов (ГИ) 10₃.1.1; р₁, р₂, р₃ – три последовательности узких импульсов тактовой частоты f_т на выходе распределителя импульсов (РИ) 10₃.1.2, последовательно сдвинутые между собой на угол 2π/3; u_гпн1, u_гпн2, u_гпн3 – три развёртывающих напряжения пилообразной формы частоты f_т, последовательно сдвинутые между собой на угол 2π/3 на выходе генераторов развёртывающего напряжения (ГПН) 10₃.1.3 ; u_у – сигнал, поступающий от КООС₃ 10₃.3 (фиг. 2) на управляющие входы блока компараторов К₁, К₂, К₃ 10₃.1.4. После сравнения в блоке компараторов 10₃.1.4 развёртывающих напряжений u_гпн1, u_гпн2, u_гпн3 с сигналом управления u_у на их выходах формируются сигналы S₁, S₂, S₃ , которые через блок драйверов (Д₁ Д₂, Д₃₎ 11 подаются на управляющие входы УКЭ 2.3, 3.3, 4.3 3-ВБ-УСН (на фиг. 2).

Долевое участие блоков 3-ВБ-УСН (с ФСУ_j(3)) и ТИН-3ОИН (с БУИ) в регулировании напряжения при возмущающих воздействиях (ВВ) по частоте и по току нагрузки производится из соображений минимизации массы выходного фильтра ТИН-3ОИН. Чем больше кратность изменения частоты вращения приводного вала (ВПВ), а также и кратность изменения тока нагрузки, тем большая часть диапазона регулирования напряжения должна принадлежать 3-ВБ-УСН_j. На ТИН-3ОИН возлагается лишь незначительная часть диапазона (например, не более ±5÷10% от номинального значения напряжения МЭГС-2). В принципе наиболее рациональная стратегия регулирования напряжения (с целью его стабилизации) определяется в каждом отдельном случае применения.

В простейшем одноканальном варианте исполнения ОМИ для формирования напряжений u_2j(t) используется алгоритм однополярной ШИМ (ОШИМ) по синусоидальному закону (фиг. 6а). При повышенных мощностях преобразования целесообразно использовать ОМИ в М канальном исполнении – ОИН-М. С ростом значения числа М искажения выходного напряжения резко снижаются. В результате, например, при М=3 (фиг.6 б, в) масса LC фильтра, характеризуемая произведением LC, уменьшается в 15 раз относительного одноканального варианта (при М=1) – см. фиг. 6а. На фиг. 6 для каждого из трёх значений параметра М=1 (фиг. 6а), М=2 (фиг. 6б), М=3 (фиг. 6в) представлены осциллограммы выходного напряжения МЭГС-2 до ВФ – и после ВФ – (t) соответственно, а также ток нагрузки – при cosφ₂₍₁₎=0,8 (по основной гармонике). Справа (для каждого из значений числа М) (фиг. 6 г-и) предсталены спектрограммы выходных напряжений до ВФ и после ВФ с указанием значений коэффициента гармоник напряжения до ВФ и после ВФ.

Таким образом, в предлагаемом изобретении с помощью поискового синтеза из серии возможных альтернативных вариантов исполнения машинно-электронной генерирующей системы (МЭГС-2) со структурой силовой части в виде 4-х последовательно соединённых звеньев (электрического генератора – ЭГ, выпрямительного блока (ВБ), 3-фазного инверторного блока (ТИН-3ОИН) и выходного фильтра – ВФ) синтезированы наиболее рациональные исполнения каждого из этих звеньев (включая ВФ), которые (максимально) учитывают необходимые (и формируемые изобретением) их свойства, направленные на общую для этой системы цель – достижение заданных показателей её качества, прежде всего, результирующей массы системы МЭГС-2.

Использование для построения ТИН трёх однофазных инверторов по мостовой схеме (ОМИ), при той же выходной мощности МЭГС-2 (с тем же значением выходного напряжения), обеспечивает:

1) снижение рабочего напряжения на КЭ ТИН в 2 раза, что делает возможным применение в нём полевых транзисторов (MOSFET), которые при том же токе по сравнению с IJBT имеют меньшие (не менее, чем в 1,5 раза) потери;

2) при использовании решения ТИН-3ОМИ требуется меньшая (в раз) габаритная мощность ЭГ, чем при использовании решения-прототипа ТИН-3ОПНИ. Соответственно масса ЭГ (в варианте с ТИН-3ОМИ) тоже будет меньше (по крайней мере, не менее, чем на 30%);

3) поскольку спектральный состав выходного напряжения в ТИН-3ОИН получается значительно лучше, чем в ТИН-3ОПНИ (за счёт использования другой структуры инверторного фазного модуля и более эффективного алгоритма его формирования – однополярной ШИМ (ОШИМ) вместо двухполярной ШИМ (ДШИМ)), то масса его выходного фильтра (ВФ) оказывается значительно меньше, чем в прототипе;

4) в процессе разработки нового решения МЭГС-2 установлено, что (при найденном наиболее рациональном значении произведения LC=const ВФ, обеспечивающем заданное (допустимое) значение коэффициента гармоник выходного напряжения), изобретение позволяет предельно уменьшить массу ВФ. Достигается это путём выбора оптимального (в сторону увеличения) значения его волновой проводимости: (при контроле рационального её значения по критерию допустимой токовой загрузки КЭ ТИН);

5) предложенное в изобретении решение хорошо адаптировано к наращиванию преобразуемой мощности при использовании недостаточной единичной мощности реально располагаемых транзисторов за счет использования при синтезе ОМИ известного способа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Применительно к ТИН-3ОМИ он описан, например, в патенте РФ № 2784845.

Использование изобретения позволяет улучшить показатели качества машинно-электронной генерирующей системы.

Изобретение относится к области авиационной электротехники, может быть использовано при построении систем типа ПСПЧ (переменная скорость – постоянная частота), а также на других подвижных объектах и в малой энергетике, конкретно – в ветроэнергетике. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей ЭГ и МЭГС-2 в целом; расширении области применения по мощности (согласно изобретению) при использовании реальных, ограниченных по рабочему напряжению транзисторов в ТИН; исключении амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения при не симметричной нагрузке; улучшении качества выходного напряжения и снижении за счёт этого массы выходных фильтров, в том числе за счёт использования более эффективного алгоритма формирования выходного напряжения. В известной машинно-электронной генерирующей системе (МЭГС-2), содержащей электрический генератор (ЭГ) с индуктором и тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), узел стабилизации напряжения (УСН_j), включающий в себя, по крайней мере, один управляемый ключевой элемент (УКЭ_j) и узел формирования управляющих сигналов (ФСУ_j), содержащий в себе источник питания внутренних нужд (ИПВН) и выполненный с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 (для его стабилизации при реальных возмущающих воздействиях), трёхканальный выпрямительный блок (3-ВБ) в виде трёх трёхфазных выпрямительных мостов (ТВМ), а также трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с выходным фильтром (ВФ) и с блоком управления (БУИ). БУИ выполнен с возможностью реализации заданных алгоритмов управления ключами ТИН и с узлом регулирования его фазных напряжений (УРФН). Входы каждого из трёх ТВМ 3-ВБ подключены к одной из трёх ТЯО, а выходы ТВМ предназначены для подключения их к шинам питания ТИН, по крайней мере, с одним буферным конденсатором, включённым между ними. Три ТЯО выполнены гальванически развязанными, причём каждая с топологией «звезда». ТИН выполнен на основе трёх однофазных мостовых инверторов (ОМИ_j), шины питания каждого из которых совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором предназначены для подсоединения их к выходу одного из трёх ТВМ 3-ВБ. Один выходной вывод в каждом из ОМИ образует начало одной из трёх фаз МЭГС-2, обозначаемое, соответственно, как «А», «В», «С», а другие выходные выводы в каждом из ОМИ_j, обозначаемые для трёх фаз, соответственно, как «Х», «Y», «Z», объединены между собой и образуют нулевой вывод трёхфазной системы «0». 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты переменного тока (МЭГС-2), содержащая электрический генератор (ЭГ) с индуктором и тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), узел стабилизации напряжения (УСН_j), включающий в себя, по крайней мере, один управляемый ключевой элемент (УКЭ_j), и узел формирования управляющих сигналов (ФСУ_j), содержащий в себе источник питания внутренних нужд (ИПВН) и выполненный с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2, для его стабилизации при реальных возмущающих воздействиях, трёхканальный выпрямительный блок (3-ВБ) в виде трёх трёхфазных выпрямительных мостов (ТВМ), а также трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с выходным фильтром (ВФ) и с блоком управления (БУИ), выполненным с возможностью реализации заданных алгоритмов управления ключами ТИН и с узлом регулирования его фазных напряжений (УРФН), причём входы каждого из трёх ТВМ 3-ВБ подключены к одной из трёх ТЯО, а выходы ТВМ предназначены для подключения их к шинам питания ТИН, по крайней мере, с одним буферным конденсатором, включённым между ними, отличающаяся тем, что три ТЯО выполнены гальванически развязанными, причём каждая с топологией «звезда», ТИН выполнен на основе трёх однофазных мостовых инверторов (ОМИ_j), шины питания каждого из которых совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором предназначены для подсоединения их к выходу одного из трёх ТВМ 3-ВБ, один выходной вывод в каждом из ОМИ образует начало одной из трёх фаз МЭГС-2, обозначаемое, соответственно, как «А», «В», «С», а другие выходные выводы (концы) в каждом из ОМИ_j, обозначаемые для трёх фаз, соответственно, как «Х», «Y», «Z» , объединены между собой и образуют нулевой вывод трёхфазной системы «0».

2. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что ФСУ_j содержит последовательно включённые, по крайней мере, один модулятор ширины импульсов (МШИ_j) и контур отрицательной обратной связи (КООС), причём вход КООС предназначен для подключения его к выходным выводам МЭГС-2, а j-й выход МШИ_j – к управляющему входу j-го УКЭ _j.

3. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что индуктор ЭГ выполнен с использованием обмотки возбуждения (ОВ), подключённой к выходу УСН₁, где индекс j=1, который содержит управляемый ключевой элемент – УКЭ_j, где j=1, своими силовыми выводами последовательно соединён с источником питания внутренних нужд (ИПВН₁) и с ОВ индуктора таким образом, что они вместе образует замкнутую цепь, причём управляющий вход УКЭ₁ подключён к выходу МШИ₁ ФСУ₁, а шины питания каждого из трёх ОМИ_j совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором подсоединены к выходу одного из трёх ТВМ непосредственно.

4. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что индуктор ЭГ выполнен с использованием постоянных магнитов, а 3-ВБ выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 и стабилизации его с помощью УСН_j.

5. МЭГС-2 по любому из пп. 1, 2, 4, отличающаяся тем, что УСН_j содержит три УКЭ_j(3), где j = 1, 2, 3, и три МШИ_j(3), причём каждый из УКЭ_j подключён между выходными выводами одного из трёх ТВМ 3-ВБ, управляющий вход каждого из УКЭ_j(3) подключён к выходу одного из трёх 3-МШИ_j(3), который выполнен трёхканальным (3-МШИ_j(3)) и обеспечивающим переключение трёх УКЭ_j с тактовой частотой f_т>>f_эг, где f_эг – частота напряжения ЭГ, с регулируемой скважностью S и реализующим фазовый сдвиг между тремя последовательностями выходных импульсов 3-МШИ, сдвинутыми между собой на тактовой частоте f_т на угол 2π/3, управляющие входы 3-МШИ_j(3) объединены и образуют общий управляющий вход, выполненный с возможностью подключения к выходу КООС, а каждый из трёх индивидуальных буферных конденсаторов, включённый между шинами питания одного из ОМИ, одной своей обкладкой подключён к соответствующему выходному выводу одного из ТВМ через разделительный диод.