Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Стартер-генераторная система летательного аппарата, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, при этом к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока. Таким образом, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет расширить функциональные возможности стартер-генераторных систем для летательных аппаратов и придает им адаптивный характер (Smart Grid), за счет обеспечения генерации переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения вала синхронного генератора, а также осуществления электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем (СГС) для летательных аппаратов, в которых для достижения высокого качества генерируемой электрической энергии применяются статические преобразователи электрической энергии.

При построении СГС для летательных аппаратов важным является совмещение функций режима стартерного запуска газотурбинных двигателей и режима генерации электрической энергии в одном агрегате. Совмещенная СГС позволяет повысить надежность, а также улучшить массогабаритные показатели авиационных систем за счет отказа от большого числа быстро изнашиваемых частей оборудования летательных аппаратов. Кроме этого, совмещенная СГС дает возможность совместить функции генерирования электрической энергии переменного и постоянного тока, а также осуществлять перетоки электрической энергии между этими системами генерирования. В этом случае открывается возможность стартерного запуска газотурбинного двигателя, как от сети переменного, так и постоянного тока. Такой уровень интеграции систем генерирования и электростартерного запуска позволяет наделить систему электроснабжения функциями адаптивных систем, появляются свойства так называемых «умных» электрических сетей («smart grid»). Адаптивный характер системы электроснабжения существенно повышает живучесть летательного аппарата.

Известна стартер-генераторная система, состоящая из синхронного генератора и машины постоянного тока [Ханахмедова С.А., Стартер-генератор на борту подвижных установок/С.А. Ханахмедова//ЕЛЕКТРООТЕХНIКА. - 2012. - №2. - С. 34-37], содержащая электрическую машину с двумя последовательно соединенными якорными обмотками, пускопереключающее устройство в виде редуктора, позволяющее переводит систему в стартерный или генераторный режим работы и расположенное между электрической машиной и шкивом ременной передачи, ременную передачу, создающую связь между валом пускопереключающего устройства и коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, пусковое реле, дающее команды на включение, автоматизацию и сигнализацию режима.

Данная система обладает рядом недостатков. Коллектор и щетки электрической машины образуют скользящий контакт, через который осуществляется связь между вращающейся обмоткой якоря и неподвижной внешней цепью машины. В рабочем режиме наблюдается искрение под щетками и на коллекторе машины постоянного тока, что может быть связано с механическими или коммутационными причинами. Искрение под щетками электрической машины приводит к чрезмерному нагреву коллектора и щеток и к их разрушению, что значительно снижает надежность и рабочий ресурс системы.

К недостаткам следует отнести также и то, что абсолютная температура нагрева обмоток и щеток машины постоянного тока достигает величин порядка 200°С, что вызывает необходимость использования для их изготовления материалы повышенной теплостойкости.

Кроме того, известна стартер-генераторная система [Стартер-генераторная система для вспомогательной силовой установки/Левин А.В., Халютин С.П., Давидов А.О., Жмуров Б.В. и др.//Научный вестник МГТУ ГА. - 2017. - №05, Том 20. - С. 50-66], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного DC/DC преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе DC/DC преобразователя, и двунаправленного AC/DC преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе AC/DC преобразователя.

Недостатком прототипа является невозможность еге работы от синхронного генератора с переменной частотой вращения вала.

Задача изобретения (технический результат) - расширение функциональных возможностей стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, а также осуществление электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока.

Задача достигается тем, что в известной стартер-генераторной системе, содержащей синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока.

Схема предлагаемой стартер-генераторной системы приведена на чертеже.

Стартер-генераторная система включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов (СГ) (1), статический двунаправленный полупроводниковый преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты (2), двунаправленный инвертор напряжения (3), двунаправленный dc-dc преобразователь (4), аккумуляторную батарею (АБ) (5), нагрузку постоянного тока (6), нагрузку переменного тока (7).

Выводы синхронного генератора (1) с переменной частотой вращения вала n=var соединены со входами непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2). Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией (2) содержит три одинаковых по топологии вентильных комплекта (ВК А, ВК В, ВК С), входы каждого из вентильных комплектов соединены с одноименными выходами синхронного генератора (1). Выходы вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2) соединены с выходами двунаправленного инвертора напряжения (3) и нагрузкой переменного тока (7). Двунаправленный инвертор напряжения (3) содержит три одинаковых по топологии пары вентилей с обратными диодами. Вход двунаправленного инвертора напряжения соединен с выходом двунаправленного dc-dc преобразователя (4). Вход dc-dc преобразователя соединен с выходом аккумуляторной батареи (5). Вход аккумуляторной батареи соединен с нагрузкой постоянного тока (6).

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

Существует два основных режима функционирования: 1) режим электростартерного запуска синхронного двигателя; 2) режим генерации электрической энергии.

Электростартерный запуск синхронного генератора в предложенной стартер-генераторной системе осуществляется от источника постоянного или переменного тока. В режиме электростартерного запуска от звена постоянного тока электроэнергия отбирается от АБ (IАБ) и поступает на якорную обмотку стартера синхронного генератора через двунаправленный dc-dc преобразователь, который формирует постоянное напряжение Ud и ток Id требуемого уровня, инвертор напряжения, который формирует трехфазное переменное напряжение eu(A), eu(B), eu(C), которое поступает на выход непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, работающего в обращенном режиме. Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией выполняет функцию частотного регулирования синхронного генератора, работающего в режиме электрического двигателя.

Уменьшение количества зарядно-выпрямительных устройств за счет совмещения функций инвертора напряжения и двунаправленного dc-dc преобразователя, а также исключение из бортового электрооборудования летательного аппарата стартера на базе электродвигателя постоянного тока для вспомогательной силовой установки или устройств запуска маршевого двигателя с помощью сжатого воздуха, позволяют снизить массогабаритные показатели авиационных систем в целом и повысить надежность электропитания бортового оборудования.

В случае электростартерного запуска от источника переменного тока, которым служит аэродромный источник электропитания, последний подключается к зажимам непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, работающего в обращенном режиме и выполняющего функцию частотного регулирования синхронного генератора.

После запуска двигателя стартер-генератор автоматически переключается в генераторный режим и работает как источник электроэнергии на борту летательного аппарата. В режиме генерации электрической энергии непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, формирующий переменное выходное напряжение eu(A), eu(B), eu(C), выполняет функцию стабилизации выходного напряжения e2(А), e2(B), e2(С) по амплитуде и частоте для потребителей переменного тока на борту летательного аппарата (AC load) в соответствие с ГОСТ - 54073-2010. Двунаправленный инвертор напряжения работает параллельно с непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией и выполняет функцию активного фильтра, компенсирует влияние высших гармонических составляющих в спектре выходного переменного напряжения системы. Также инвертор напряжения и двунаправленный dc-dc преобразователь работают параллельно с бортовой электросетью постоянного тока 27 В (DC load) и осуществляют заряд аккумуляторной бортовой батареи до требуемого уровня напряжения UАБ, а в случае отказа аккумуляторной батареи обеспечивают электропитание нагрузок постоянного тока (Iн dc).

Двунаправленный инвертор напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, выполняя функцию активного фильтра в режиме генерации электрической энергии, улучшает качество выходного напряжения стартер-генераторной системы, что уменьшает массу выходного фильтра непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией и, как следствие, позволяет снизить массогабаритные показатели авиационной системы в целом.

Кроме этого, в режиме генерации электрической энергии в случае отказа синхронного генератора или непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, учитывая обратимость потока энергии в системе «инвертор напряжения -двунаправленный dc-dc преобразователь» инвертор напряжения может осуществлять электропитание ряда нагрузок переменного тока. Источником энергии в этом случае служит бортовая аккумуляторная батарея. Длительность электроснабжения потребителей переменного тока в этом случае определяется емкостью и уровнем заряда бортовой аккумуляторной батареи на момент отказа непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией.

Таким образом, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет расширить функциональные возможности стартер-генераторных систем для летательных аппаратов и придает им адаптивный характер за счет обеспечения генерации переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения вала синхронного генератора, а также осуществления электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока.

Кроме того, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет повысить надежность авиационных систем, поскольку силовая схема таких преобразователей имеет простую и надежную реализацию, содержит в своем составе попарно работающие тиристорные комплекты, которые обладают большой перегрузочной способностью и небольшими массогабаритными показателями. Также расширяются функциональные возможности системы за счет связи систем электроснабжения переменного и постоянного тока, по сути, система приобретает статус «умной» электрической сети («smart grid»). Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией не содержит в своем составе реактивных элементов, что также уменьшает массогабаритные показатели системы в целом. Поскольку непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией может осуществлять двусторонний свободный обмен электроэнергии между сетью и нагрузкой, такой преобразователь удовлетворяет режиму электростартерного запуска синхронного генератора и режиму генерации электрической энергии для потребителей переменного тока.

Уменьшение массогабаритных показателей предложенной стартер-генераторной системы обусловлено также уменьшением количества зарядно-выпрямительных устройств за счет совмещения функций инвертора напряжения и двунаправленного dc-dc преобразователя, которые в генераторном режиме работы системы выполняют функцию активного фильтра и повышают качество выходного напряжения, а также работают параллельно с бортовой электросетью постоянного тока и осуществляют заряд аккумуляторной батареи. Кроме этого, применение инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией позволяет уменьшить массу выходного фильтра непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, что также уменьшает массу и габариты системы в целом.

Предлагаемая стартер-генераторная система, имеющая в своем составе непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, позволяет интегрировать различные системы электроснабжения, приближая системы электропитания летательных аппаратов к адаптивным электрическим сетям, а именно «smart grid».

Стартер-генераторная система летательного аппарата, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, отличающаяся тем, что к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу электропитания космических аппаратов и наземных пользователей электрической энергией. Производят прием солнечного излучения, при котором фотоэлементом, состоящим из двух контактирующих разнородных полупроводниковых пластин, преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию.

Изобретение относится к способу управления автономной системой электроснабжения космического аппарата. Для этого управляют стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы при контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей в блоке, выдают запрет на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снимают запрет при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрещают работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снимают этот запрет при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, контролируют ток солнечной батареи, снимают блокировку работы преобразователя напряжения после превышения тока солнечной батареи заранее заданного значения, при аварийном разряде аккумуляторных батарей, в зависимости от величины их остаточной емкости включают режим аварийного экономичного разряда аккумуляторных батарей и, при необходимости, включают блок автономного управления приводом солнечной батареи для получения солнечной батареей максимальной освещенности от Солнца, а в случае не устранения аварийного режима, блокируют работу всех разрядных устройств.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов. Преобразователи напряжения, зарядные и разрядные устройства выполняют в виде единичных модулей.

Система электроснабжения космического аппарата содержит солнечную батарею (СБ), датчик тока, цифровую систему управления с экстремальным регулятором мощности СБ, регулятор напряжения, выполненный в виде мостового инвертора с входным С-фильтром, трансформатор с первичной и вторичными обмотками, два выпрямителя, устройство контроля степени заряженности, зарядное устройство, аккумуляторную батарею, разрядное устройство, нагрузку, систему питания и управления, стационарный плазменный двигатель.

Группа изобретений относится к электрическим схемам для транспортных средств. Способ управления электропитанием транспортного средства заключается в следующем.

Использование: в области электротехники для электропитания космических аппаратов (КА). Технический результат - повышение эксплуатационной надежности системы электропитания и повышение эффективности использования солнечной батареи.

Использование: в области электротехники, для электропитания космических аппаратов (КА). Технический результат - повышение функциональной надежности системы электропитания.

Изобретение относится к области электротехники. Система для резервного электропитания объектов железнодорожной автоматики, телемеханики и связи содержит последовательно соединенные блок зарядных устройств, вход которого предназначен для подключения источника первичного электропитания, блок аккумуляторных батарей, блок преобразователей напряжений и блок коммутации, управляющие входы которого соединены с выходами блока датчиков напряжений и токов нагрузок, подключенного к контрольным выходам блока преобразователей напряжений, выход блока коммутации предназначен для подключения устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, блок преобразователей напряжений выполнен с возможностью подключения к нему источника напряжения через дополнительный вход, один из выводов которого соединен с рельсом рельсового пути, а другой – соединен с жестким контактным проводом, установленным вдоль рельсового пути на станции и участке приближения к ней, на каждом тепловозе, использующем для передвижения этот рельсовый путь, установлен токосъемный элемент с возможностью его взаимодействия с жестким контактным проводом, при этом полюса бортовой аккумуляторной батареи тепловоза соединены соответственно с токосъемным элементом и колесной парой.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), использующим в качестве первичных источников энергии батареи фотоэлектрические (БФ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи (АБ).

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение возможности подключения устройств генерации на стороне переменного тока, а также возможности гибко менять приоритеты подключения различных вводов от источников генерации и аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Стартер-генераторная система летательного аппарата, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, при этом к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока. Таким образом, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет расширить функциональные возможности стартер-генераторных систем для летательных аппаратов и придает им адаптивный характер, за счет обеспечения генерации переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения вала синхронного генератора, а также осуществления электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока. 1 ил.

Наверх