RU122211U1

RU122211U1 - ELECTRIC ENERGY GENERATION SYSTEM OF THREE PHASE AC

Info

Publication number: RU122211U1
Application number: RU2012125952/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Харитонов; Дмитрий Владиславович Коробков; Вадим Викторович Машинский; Сергей Николаевич Завертан; Денис Владимирович Макаров; Вячеслав Федорович Лучкин; Сергей Павлович Чудновец; Александр Николаевич Решетников; Андрей Викторович Гейст; Петр Александрович Бачурин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Север"
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-11-20

Abstract

Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре, трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединены с выводами синхронного генератора, два последовательно соединенных конденсатора звена постоянного тока, подключенные параллельно выходным выводам постоянного тока выпрямителя, общая точка конденсаторов соединена с общей точкой нагрузок системы генерирования, инвертор напряжения, выходные выводы переменного тока которого соединены с входными вводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а входные вводы постоянного тока инвертора напряжения соединены с соответствующими выводами постоянного тока выпрямителя, выходные выводы силового Г-образного низкочастотного LC фильтра соединены с входными вводами нагрузки системы генерирования, отличающаяся тем, что вводят второй трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединяют с выходными выводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а выходные выводы постоянного тока соединяют с однополярными входными вводами инвертора напряжения. A system for generating electrical energy of three-phase alternating current, containing a synchronous generator with excitation from permanent magnets and a three-phase winding on the stator, a three-phase bridge rectifier, the input AC inputs of which are connected to the outputs of the synchronous generator, two series-connected DC link capacitors connected in parallel with the output DC outputs of the rectifier, the common point of the capacitors is connected to the common point of the generating system loads, the voltage inverter, the output AC outputs of which are connected to the input inputs of the power L-shaped low-frequency LC filter, and the DC input inputs of the voltage inverter are connected to the corresponding DC outputs of the rectifier, the output the outputs of the power L-shaped low-frequency LC filter are connected to the input inputs of the load of the generation system, characterized in that they introduce a second three-phase bridge rectifier, the input inputs are alternately whose current is connected to the output terminals of the power L-shaped low-frequency LC filter, and the DC output terminals are connected to the unipolar input inputs of the voltage inverter.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии (СПЭЭ). Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.The utility model relates to the field of electrical engineering and power electronics and can be used in the construction of three-phase alternating current electric power generation systems for aircraft, in which static converters of electrical energy (SPEE) are used to achieve high-quality output energy indicators. The primary sources with unstable input energy parameters in such systems is a synchronous generator with a variable shaft speed. The function of ensuring quality indicators of the generated electric energy is assigned to the static converter and the output power low-pass filter.

Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса и габариты силового низкочастотного фильтра в значительной степени влияет на массогабаритные показатели всей системы.For the indicated application of generation systems, an important indicator is the mass of all elements of the system, during the design of which it is necessary to strive to reduce it. The weight and dimensions of the power low-pass filter significantly affect the overall dimensions of the entire system.

Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, состоящая из синхронного генератора и статического преобразователя электрической энергии [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М, 2: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.], содержащая шестифазный синхронный генератор с выводом нулевого провода и электромагнитным возбуждением, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя с двумя уравнительными реакторами, и трех низкочастотных LC фильтров.A known system for generating electrical energy of a three-phase alternating current, consisting of a synchronous generator and a static converter of electrical energy [Dzhuji L., Pelly B. Power semiconductor frequency converters: Theory, characteristics, application. Per. from English - M, 2: Energoatomizdat, 1983. - 400 p.], Containing a six-phase synchronous generator with a zero-wire output and electromagnetic excitation, a static electric energy converter based on a three-phase output of a direct frequency converter with natural switching (cycloconverter), each output phase of which assembled according to the scheme of a six-phase reversible rectifier with two equalization reactors, and three low-frequency LC filters.

Данная система обладает рядом недостатков. Наличие электромагнитного возбуждения синхронного генератора требует введения вращающихся контактов или значительного усложнения конструкции генератора за счет увеличения числа ступеней преобразования электрической энергии, что приводит к уменьшению надежности системы, повышению эксплуатационных расходов и массы. К недостаткам следует отнести также и то, что в составе статического преобразователя имеется шесть уравнительных реакторов. Все они работают на относительно низкой частоте выходного напряжения системы генерирования, поэтому имеют достаточно высокую массу. Кроме этого, синхронный генератор выполняется с успокоительными обмотками с целью уменьшения его выходных реактансов, это требуется для обеспечения независимой коммутации тиристоров в разных выходных фазах статического преобразователя. В этом случае коммутация тиристоров получается «жесткой» с резким обрывом коммутируемого тока, поэтому возникает необходимость применения защитных RC цепей (снаберов напряжения) для снятия перенапряжений на тиристорах. При широком диапазоне изменения частоты и величины напряжения синхронного генератора масса их получается значительной. К недостаткам также относится достаточно большие масса и габариты трех низкочастотных LC фильтров, что объясняется относительно низким значением частоты пульсаций в выходном напряжении циклоконвертора, повысить которые затруднительно в связи с ограниченными частотными свойствами тиристоров.This system has several disadvantages. The presence of electromagnetic excitation of a synchronous generator requires the introduction of rotating contacts or a significant complication of the design of the generator by increasing the number of steps for converting electrical energy, which leads to a decrease in the reliability of the system, an increase in operating costs and mass. The disadvantages include the fact that the structure of the static Converter has six equalization reactors. All of them operate at a relatively low frequency of the output voltage of the generation system, and therefore have a fairly high mass. In addition, the synchronous generator is made with soothing windings in order to reduce its output reactants, this is required to ensure independent switching of the thyristors in different output phases of the static converter. In this case, the thyristor switching is “hard” with a sharp break in the switched current, so there is a need to use protective RC circuits (voltage suppliers) to relieve overvoltages on the thyristors. With a wide range of changes in the frequency and voltage of the synchronous generator, their mass is significant. The disadvantages also include the rather large mass and dimensions of the three low-frequency LC filters, which is explained by the relatively low ripple frequency in the output voltage of the cycloconverter, which is difficult to increase due to the limited frequency properties of the thyristors.

Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока [С.А.Харитонов, Д.В.Коробков, А.С., Лучкин В.Ф. Несимметричная нагрузка в системе генерирования электрической энергии переменного тока. Техническая электродинамика, НАН Украины, Киев 2011. Часть 1. С.119-126], которая является прототипом предлагаемой полезной модели, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре, трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединены с выводами синхронного генератора, двух последовательно соединенных конденсаторов звена постоянного тока, подключенных параллельно выходным выводам постоянного тока выпрямителя, общая точка конденсаторов соединена с общей точкой нагрузок системы генерирования, инвертора напряжения, выходные выводы переменного тока которого соединены с входными вводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а входные вводы постоянного тока инвертора напряжения соединены с соответствующими выводами постоянного тока выпрямителя, выходные выводы силового Г-образного низкочастотного LC фильтра соединены с входными вводами нагрузки системы генерирования.In addition, there is a known system for generating electrical energy of three-phase alternating current [S.A. Kharitonov, D.V. Korobkov, A.S., Luchkin V.F. Unbalanced load in an alternating current electric power generation system. Technical Electrodynamics, NAS of Ukraine, Kiev 2011. Part 1. S.119-126], which is the prototype of the proposed utility model, containing a synchronous generator with excitation from permanent magnets and a three-phase winding on the stator, a three-phase bridge rectifier, the AC input of which is connected with the terminals of a synchronous generator, two series-connected capacitors of a DC link connected in parallel with the output terminals of a DC rectifier, a common point of the capacitors is connected to a common a load of the generating system, a voltage inverter, the output terminals of which AC are connected to the input inputs of the power L-shaped low-pass LC filter, and the input DC inputs of the voltage inverter are connected to the corresponding terminals of the DC inverter rectifier, the output terminals of the power L-shaped low-frequency LC filter are connected with input inputs of the load of the generation system.

Недостатком данной системы, в случае ее применения на летательных аппаратах, является относительно большое значение емкости конденсатора силового Г-образного низкочастотного LC фильтра. Что объясняется тем, что при «сбросе» 160% процентов мощности нагрузки [ГОСТ Р 54073-2010], накопленная энергия в дросселе низкочастотного LC фильтра передается в конденсатор фильтра, при этом величина всплеска выходного напряжения системы генерирования тем меньше чем больше величина емкости данного конденсатора. Следует отметить, что необходимая величина этой емкости, для обеспечения уровня коэффициента искажений равного 8%, значительно меньше, чем это требуется для обеспечения заданного всплеска выходного напряжения при «сбросе» мощности нагрузки.The disadvantage of this system, if used on aircraft, is the relatively large value of the capacitance of the power L-shaped low-pass LC filter. This is explained by the fact that when “dumping” 160% percent of the load power [GOST R 54073-2010], the accumulated energy in the low-pass LC choke of the filter is transferred to the filter capacitor, and the magnitude of the output voltage surge of the generation system is the smaller the larger the capacitance of this capacitor . It should be noted that the required value of this capacitance, to ensure the level of distortion coefficient equal to 8%, is much less than what is required to provide a given surge in output voltage when the load power is "reset".

Задача полезной модели - снижение массы и габаритов силового Г-образного низкочастотного LC фильтра.The objective of the utility model is to reduce the mass and dimensions of the power L-shaped low-pass LC filter.

Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока введен второй трехфазный мостовой выпрямитель, входные вводы переменного тока которого соединены с выходными выводами силового Г-образного низкочастотного LC фильтра, а выходные выводы постоянного тока соединены с однополярными входными вводами инвертора напряжения.The task is achieved by the fact that in the known system for generating electric energy of three-phase alternating current, a second three-phase bridge rectifier is introduced, the input current inputs of which are connected to the output terminals of the power L-shaped low-frequency LC filter, and the output terminals of the direct current are connected to the unipolar input inputs of the voltage inverter .

Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.1.The scheme of the proposed system for generating electrical energy of three-phase alternating current is shown in figure 1.

Система генерирования включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной обмоткой на статоре (1), выпрямитель (2), который может быть, как управляемым, так и не управляемым, два конденсатора звена постоянного тока (3, 4), инвертор напряжения (5), трехфазный силовой Г-образный низкочастотный LC фильтр, содержащий дроссели (6, 7, 8) и конденсаторы (9, 10, 11), второй выпрямитель (12).The generation system includes a synchronous generator with excitation from permanent magnets and a three-phase winding on the stator (1), a rectifier (2), which can be either controlled or not controlled, two DC link capacitors (3, 4), a voltage inverter ( 5), a three-phase power L-shaped low-frequency LC filter containing inductors (6, 7, 8) and capacitors (9, 10, 11), a second rectifier (12).

Три вывода синхронного генератора (1) соединены с тремя входными вводами переменного тока выпрямителя (2), параллельно выходным выводам постоянного тока которого подключены два конденсатора звена постоянного тока (3, 4), соединенные между собой последовательно, их общая точка соединена с общей точкой трехфазной нагрузки системы генерирования (13). Входные вводы инвертора напряжения (5) соединены с однополярными выходными выводами постоянного тока выпрямителя (2). Три выходных вывода переменного тока инвертора напряжения (5) соединены с входными вводами дросселей фильтра (6, 7, 8), выходные выводы которых подключены к нагрузке системы генерирования (13), а также соединены с одними из выводов конденсаторов (9, 10, 11) силового низкочастотного фильтра, вторые выводы которых соединены с общей точкой трехфазной нагрузки системы генерирования (13). У второго трехфазного мостового выпрямителя (12) входные вводы переменного тока соединены с выходными выводами дросселей силового низкочастотного фильтра (6, 7, 8), а выходные выводы постоянного тока соединены с однополярными входными вводами инвертора напряжения (5).Three outputs of a synchronous generator (1) are connected to three input inputs of an alternating current rectifier (2), parallel to the output terminals of which DC two capacitors of a DC link (3, 4) are connected, connected in series, their common point is connected to a common point of a three-phase generation system loads (13). The input inputs of the voltage inverter (5) are connected to the unipolar DC output terminals of the rectifier (2). Three output terminals of the AC voltage inverter (5) are connected to the input inputs of the filter chokes (6, 7, 8), the output terminals of which are connected to the load of the generation system (13), and are also connected to one of the terminals of the capacitors (9, 10, 11 ) a power low-pass filter, the second terminals of which are connected to a common point of the three-phase load of the generating system (13). At the second three-phase bridge rectifier (12), the AC input inputs are connected to the output terminals of the power low-pass filter chokes (6, 7, 8), and the DC output terminals are connected to the unipolar input inputs of the voltage inverter (5).

Предлагаемая система функционирует следующим образом.The proposed system operates as follows.

Конденсаторы звена постоянного тока (3, 4) имеют существенно большую емкость, чем конденсаторы силового низкочастотного фильтра (9, 10, 11), т.е. C>>C_ф, что объясняется необходимостью подавления с помощью конденсаторов (3, 4) относительно низкочастотных пульсаций в выходном напряжении выпрямителя (2), а также шунтированием выходных зажимов выпрямителя (2) по высокочастотным составляющим входного тока инвертора напряжения (5). При «сбросе» мощности нагрузки напряжение на конденсаторах (9, 10, 11) начинает нарастать, и когда оно становится равным величине , открываются диоды второго трехфазного выпрямителя (12), конденсаторы (3, 4) подключаются параллельно конденсаторам (9, 10, 11), практически происходит ограничение величины выходного напряжения системы на уровне . Данный вывод подтверждается результатами имитационного моделирования в среде PSIM системы генерирования мощностью 150 кВт с величиной выходного напряжения 220 В и . На фиг.2 представлена расчетная осциллограмма трех выходных напряжений и токов системы генерирования при сбросе 160% мощности на 10% мощности нагрузки, видно, что величина всплеска выходного напряжения фиксируется на уровне ±400 В.Capacitors of a DC link (3, 4) have a significantly larger capacity than capacitors of a power low-pass filter (9, 10, 11), i.e. C >> C _f , which is explained by the need to suppress with the help of capacitors (3, 4) relatively low-frequency ripples in the output voltage of the rectifier (2), as well as bypass output terminals of the rectifier (2) by the high-frequency components of the input current of the voltage inverter (5). When the load power is "reset", the voltage across the capacitors (9, 10, 11) begins to increase, and when it becomes equal to , the diodes of the second three-phase rectifier (12) open, the capacitors (3, 4) are connected in parallel with the capacitors (9, 10, 11), the output voltage of the system is practically limited at the level . This conclusion is confirmed by the results of simulation in a PSIM environment of a 150 kW generation system with an output voltage of 220 V and . Figure 2 shows the calculated waveform of the three output voltages and currents of the generation system when 160% of the power is reset to 10% of the load power, it can be seen that the magnitude of the output voltage surge is fixed at ± 400 V.

Такое техническое решение делает возможным выбирать величину емкости конденсаторов силового низкочастотного фильтра (9, 10, 11) исходя из требований обеспечения заданного уровня коэффициента искажений. Как уже отмечалось, это приведет к значительному уменьшению номинала емкостей и, как следствие, к уменьшению их массы и габаритов. Введение дополнительного выпрямителя (12) не приведет к существенному увеличению массогабаритных показателей системы, т.к. диоды обладают значительной величиной импульсных токов, а тепловой режим выпрямителя не является напряженным в силу того, что диоды работают только при «сбросе» мощности нагрузки на интервале времени не превышающим половины периода выходного напряжения.This technical solution makes it possible to choose the value of the capacitance of the power low-pass filter (9, 10, 11) based on the requirements of ensuring a given level of distortion coefficient. As already noted, this will lead to a significant reduction in the nominal value of the containers and, as a consequence, to a decrease in their mass and dimensions. The introduction of an additional rectifier (12) will not lead to a significant increase in the overall dimensions of the system, since diodes have a significant amount of pulsed currents, and the thermal mode of the rectifier is not intense due to the fact that the diodes work only when the load power is "reset" in a time interval not exceeding half the output voltage period.

Таким образом, предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, имеет меньшую массу силового Г-образного низкочастотного LC фильтра за счет уменьшения величины емкости конденсатора фильтра.Thus, the proposed system for generating electrical energy of a three-phase alternating current has a smaller mass of the power L-shaped low-frequency LC filter due to a decrease in the capacitance of the filter capacitor.

Claims

A three-phase alternating current electric power generation system comprising a synchronous generator with permanent magnet excitation and a three-phase winding on a stator, a three-phase bridge rectifier, the input AC inputs of which are connected to the terminals of the synchronous generator, two series-connected capacitors of the DC link, connected in parallel to the output of the DC rectifier current, common point of capacitors connected to common point of loads of generation system, inverter the voltage outputs of which AC are connected to the input inputs of the power L-shaped low-frequency LC filter, and the input DC inputs of the voltage inverter are connected to the corresponding DC outputs of the rectifier, the output terminals of the power L-shaped low-frequency LC filter are connected to the input inputs of the load of the generating system characterized in that a second three-phase bridge rectifier is introduced, the input AC inputs of which are connected to the output terminals of the power L-shaped of the high-frequency LC filter, and the DC output terminals are connected to the unipolar input inputs of the voltage inverter.