Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения

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. Предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения содержит трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, введена катушка индуктивности, которая одним выводом подключается к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора. Технический результат - уменьшение электрических потерь в элементах и повышение коэффициента полезного действия системы в целом. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) трехфазного переменного тока для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статический преобразователь электрической энергии (СПЭЭ) с инвертором напряжения (ИН). 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 и габариты всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Массогабаритные показатели системы генерирования в значительной степени определяются величиной коэффициента полезного действия (η) отдельных ее элементов, поэтому возникает задача повышения величины данного коэффициента.

Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения [Харитонов С.А. Интегральные параметры и характеристики инверторов напряжения в составе систем генерирования переменного тока типа "переменная скорость - постоянная частота" для ветроэнергетических установок. Научный вестник НГТУ, Новосибирск, 1999. №2 (7). 92-120 С.], содержащая трехфазный синхронный генератор с выводом нулевого провода, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно, и трехфазного мостового инвертора напряжения с тремя низкочастотными LC фильтрами, нулевой провод нагрузки системы соединен с нулевым проводом генератора и средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока.

Данная система обладает рядом недостатков. Соединение нулевого провода синхронного генератора с нагрузкой системы генерирования и средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока приводит к увеличению тока генератора примерно в $$\sqrt{2}$$ [Харитонов С.А. Интегральные параметры и характеристики инверторов напряжения в составе систем генерирования переменного тока типа "переменная скорость - постоянная частота" для ветроэнергетических установок. Научный вестник НГТУ, Новосибирск, 1999. №2 (7). 92-120 с.]. Это приводит к повышению электрических потерь в синхронном генераторе и, как следствие, к уменьшению коэффициента полезного действия и к увеличению массы и габаритов системы генерирования. Кроме этого, изменяется режим работы мостового выпрямителя, в результате уменьшается в два раза частота пульсаций и увеличивается в два раза амплитуда пульсаций в токе каждого из конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, что приводит к повышению электрических потерь в данных конденсаторах, т.е. к снижению коэффициента полезного действия системы генерирования и увеличению ее массы и габаритов.

Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения [Харитонов С.А., Коробков Д.В., Хлебников А.С. и др. Некоторые результаты разработки системы электропитания для летательного аппарата. Техническая электродинамика, тематический выпуск «Силовая электроника и энергоэффективность». Киев. Институт электродинамики НАН, 2010 г. T.1. С.88-89], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока (фиг.1).

Недостатком данной системы является необходимость установки параллельно конденсаторам фильтра звена постоянного тока относительно низкоомных резисторов R, которые необходимы для уменьшения постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования, возникающей в связи с различием статических и динамических характеристик силовых транзисторов инвертора, а также и в связи с неточностью воспроизведения закона управления силовыми транзисторами инвертора [Грабовецкий Г.В., Коробков Д.В., Харитонов С.А. Особенности работы инвертора напряжения в системе генерирования электрической энергии летательного аппарата. №1 (18), январь-июнь, с.69-79]. В данной работе, в частности, показано, что для подавления постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования с помощью отрицательной обратной связи с интегральным регулятором при условии, что величина постоянной составляющей без обратной связи равнялась 1.6 В, необходимо выполнение условия R<(8÷10)R_н0, где R_н0 - сопротивление нагрузки системы генерирования по постоянному току. Учитывая, что напряжение на резисторах R примерно равно $$\frac{U_d}{2}\approx U_{н\max }$$ , где U_{н max} - амплитудное значение напряжения на нагрузке системы генерирования, мощность каждого из резисторов R может составлять (1.6÷2)% от мощности системы генерирования. Таким образом, установка этих резисторов приведет к значительному увеличению электрических потерь в системе генерирования (в данном примере на (3.2÷4)% от мощности системы генерирования), а следовательно, к снижению коэффициента полезного действия и росту массы и габаритов СГЭЭ.

Задача изобретения - снижение массы и габаритов системы генерирования за счет повышения величины коэффициента полезного действия отдельных ее элементов.

Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения, содержащей трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, вводится катушка индуктивности, которая одним выводом подключается к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора.

Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения приведена на фиг.2.

Система генерирования включает синхронный генератор (1) с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре (ТО) с выводом нулевого провода (N_сг), статический преобразователь электрической энергии (2) и низкочастотный LC фильтр (3). В состав статического преобразователя (2) входят выпрямитель (4), который может быть как неуправляемым, так и управляемым, в последнем варианте он может быть реализован на любых управляемых силовых ключах; два конденсатора звена постоянного тока (5, 6), включенные последовательно с выводом средней точки N_С, инвертор напряжения (7). Низкочастотный LC фильтр (3) может быть реализован по любой известной схеме подобных фильтров, на фиг.2 в качестве примера приведена схема Г-образного LC фильтра второго порядка. Следует отметить, что конденсаторы фильтра могут быть включены в треугольник.

Выводы трехфазной обмотки (ТО) генератора (1) соединены с соответствующими трехфазными вводами (ТВ) статического преобразователя (2), в котором они соединяются с трехфазными вводами выпрямителя (4). Параллельно выводам постоянного тока выпрямителя (4) подключены конденсаторы (5, 6), соединенные между собой последовательно, а их средняя точка N_С соединена с нулевым проводом N_н нагрузки системы генерирования (9) и одним из выводов катушки индуктивности (8), второй вывод которой соединен с выводом нулевого провода N_сг синхронного генератора. Вводы постоянного тока инвертора напряжения (7) соединены с выводами постоянного тока выпрямителя (4), три вывода переменного тока инвертора соединены с одноименными вводами низкочастотного LC фильтра, выводы которого подключены к нагрузке системы генерирования (9).

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

Индуктивность L₀ катушки индуктивности (8) выбирается из условия:

$$3{\omega }_{СГ\min }{L}_0>>\frac{2}{3{\omega }_{СГ\min }C},\left(1\right)$$

где ω_{СГ min} - минимальная циклическая частота напряжения синхронного генератора, C - величина емкости конденсаторов (5, 6).

Выбор величины L₀ в соответствии с соотношением (1) сохраняет «шестипульсный» режим работы выпрямителя, т.к. для токов с частотой 3ω_{СГ min} электрическая цепь между точками N_СГ и N_С имеет очень большое сопротивление. При этом по постоянному току эта цепь имеет практически нулевое сопротивление, роль сопротивления R в схеме на фиг.1 будет выполнять выходное сопротивление по постоянному току трехфазной нулевой схемы выпрямления (R_экв), максимальная величина которого согласно [Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Часть III / И.Л.Каганов. - М.: Государственное энергетическое издательство, Москва, 1956. - 528 с., ил.] будет равна:

$$R_{экв}\approx \frac{3}{2\pi }{\omega }_{СГ\max }\frac{L_d+L_q}{2},\left(2\right)$$

где ω_{СГ max} - максимальная циклическая частота напряжения синхронного генератора, L_d, L_q - индуктивности СГ по продольной и поперечной осям.

Очевидно, что величина сопротивления будет удовлетворять неравенству

$$R_{экв}<<R_{н0},\left(3\right)$$

так как величина $${\omega }_{СГ\max }\frac{L_d+L_q}{2}$$ является выходным сопротивлением фазы синхронного генератора, которое должно быть заведомо меньше сопротивления нагрузки.

Таким образом, в предложенной схеме системы генерирования не возникает проблем с отработкой постоянной составляющей в выходном напряжении системы генерирования, т.к. выполняется неравенство (3), исключается резистор R, что уменьшает электрические потери в элементах системы генерирования, повышается коэффициент полезного действия и, как следствие, уменьшаются масса и габариты системы.

Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения, содержащая трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, отличающаяся тем, что вводят катушку индуктивности, которую одним выводом подключают к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора.