RU212487U1

RU212487U1 - BRUSHLESS SYNCHRONOUS GENERATOR WITH AN IMPROVED EXCITER CONTROL UNIT

Info

Publication number: RU212487U1
Application number: RU2022114160U
Authority: RU
Inventors: Сергей Алексеевич Голота; Андрей Ярославович Дерех; Олег Игоревич Дунст; Валерий Николаевич Захаренков
Original assignee: Акционерное общество "Аэроэлектромаш"
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2022-07-26

Abstract

Полезная модель относится к бесщеточным синхронным генераторам, главным образом предназначенным для использования на летательных аппаратах. Генератор электрического тока содержит 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. Обмотка индуктора возбудителя включена в мостовую схему, образованную четырьмя транзисторами и соединенную с источником постоянного напряжения, а блок управления возбудителем выполнен с возможностью такого управления упомянутыми транзисторами, которое позволяет изменять величину напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя и его полярность. Блок управления возбудителем при этом способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы напряжение на концах обмотки якоря основной генерирующей машины стремилось к заданному напряжению. Когда разность между напряжением на концах обмотки якоря основной генерирующей машины и заданным напряжением достигает установленной пороговой величины, блок управления возбудителем способен изменять полярность напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя на противоположную. Технический результат полезной модели состоит в ускорении снижения выходного напряжения генератора при падении нагрузки.

The utility model relates to brushless synchronous generators primarily intended for use in aircraft. The electric current generator contains the main generating machine, the exciter and the exciter control unit. The armature of the main generating machine and the exciter inductor are fixed on the generator body, and the inductor of the main generating machine and the exciter armature are fixed on the generator shaft. The exciter inductor winding is included in a bridge circuit formed by four transistors and connected to a constant voltage source, and the exciter control unit is configured to control said transistors in such a way that it allows changing the voltage at the ends of the exciter inductor winding and its polarity. In this case, the exciter control unit is able to regulate the voltage at the ends of the exciter inductor winding so that the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine tends to the specified voltage. When the difference between the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine and the specified voltage reaches the set threshold value, the exciter control unit is able to reverse the polarity of the voltage at the ends of the exciter inductor winding. The technical result of the utility model is to accelerate the decrease in the output voltage of the generator when the load drops.

Description

Область техникиTechnical field

[1] Полезная модель относится к бесщеточным синхронным генераторам, главным образом предназначенным для использования на летательных аппаратах.[1] The utility model relates to brushless synchronous generators primarily intended for use in aircraft.

Предпосылки к созданию полезной моделиPrerequisites for creating a utility model

[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.[2] A conventional brushless synchronous generator (hereinafter referred to as a brushless generator) designed for use in an aircraft in conjunction with a gas turbine engine contains three synchronous generators connected in series with each other, namely: a subexciter, an exciter, and a main generating machine. The sub-exciter inductor, the exciter armature and the main generating machine inductor are fixed on the drive shaft of the brushless generator, and respectively, are rotors. At the same time, the sub-exciter armature, the exciter inductor and the armature of the main generating machine, which are located on the body of the brushless generator, act as stators.

[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.[3] The subexciter inductor contains permanent magnets, therefore, to create an EMF in the armature winding of the subexciter, the very fact of rotation of the drive shaft is sufficient, which ensures the autonomy of the subexciter and the brushless generator as a whole. The primary rectifier fixed on the case converts the alternating current flowing in the sub-exciter armature winding into direct current, which is fed to the exciter inductor winding, as a result of which an alternating EMF is also induced in the exciter armature winding and alternating current flows.

[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 приводному валу, что позволяет избежать использования щеток для передачи электрического тока на основной выпрямитель и от него, или другими словами, реализовать концепцию бесщеточного генератора.[4] The armature winding of the exciter is in turn connected to the inductor winding of the main generating machine through the main rectifier, so that a direct current flows in the inductor winding of the main generating machine. The variable EMF induced in the armature winding of the main generating machine creates an alternating voltage at the ends of this winding, which is the output voltage of the brushless generator, and which enters the on-board electrical network of the aircraft (hereinafter referred to as the on-board network). It should be noted that the main rectifier is located on the drive shaft, which avoids the use of brushes to transmit electric current to and from the main rectifier, or in other words, to realize the concept of a brushless generator.

[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. Данная мера 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, не оказывающих существенного влияния на нагрузку.[5] The specifics of operation on an aircraft imposes a requirement on a brushless generator to stabilize the voltage in the on-board network, which is complicated by wide ranges of change in both the speed of the drive shaft and the power consumed by the on-board network (hereinafter referred to as the load). Traditionally, this problem is solved by appropriate regulation of the voltage at the ends of the exciter inductor winding, for which an exciter control unit is connected between the primary rectifier and the exciter inductor winding. This measure allows you to maintain the output voltage at a given value with such a change in load that corresponds to the normal operation of a brushless generator, i.e. when connecting to the on-board network or disconnecting from it individual consumers that do not have a significant impact on the load.

[6] Однако в экстренном случае, когда нагрузка временно значительно снижается или отключается совсем, уменьшение величины напряжения в обмотке индуктора возбудителя не способно быстро уменьшить выходное напряжение бесщеточного генератора в силу присущей данному процессу инерционности, связанной с магнитными свойствами сердечников и т.п. В то же время при таком падении нагрузки напряжение в бортовой сети резко возрастает, что может привести к выходу из строя потребителей, сохраняющих свое подключение к бортовой сети, а также и самого бесщеточного генератора. Таким образом, для безопасного использования бесщеточного генератора на летательном аппарате необходимо обеспечить решение проблемы по ускоренному уменьшению выходного напряжения в случае значительного снижения нагрузки в бортовой сети.[6] However, in an emergency, when the load is temporarily significantly reduced or turned off completely, a decrease in the voltage value in the exciter inductor winding is not able to quickly reduce the output voltage of a brushless generator due to the inertia inherent in this process associated with the magnetic properties of the cores, etc. At the same time, with such a load drop, the voltage in the on-board network rises sharply, which can lead to failure of consumers that retain their connection to the on-board network, as well as the brushless generator itself. Thus, for the safe use of a brushless generator on an aircraft, it is necessary to provide a solution to the problem of an accelerated decrease in the output voltage in the event of a significant decrease in the load in the on-board network.

[7] Патентная публикация KR101708023B1, 17.02.2017 раскрывает бесщеточный синхронный генератор, в котором на приводном валу размещены транзистор и резистор, включенные параллельно друг другу в цепь между основным выпрямителем и обмоткой индуктора основной генерирующей машины. В своем открытом состоянии транзистор обеспечивает короткое соединение основного выпрямителя с обмоткой индуктора основной генерирующей машины, что позволяет бесщеточному генератору функционировать в нормальном режиме, как было описано выше. При повышении выходного напряжения до заранее определенной пороговой величины транзистор закрывается, в результате чего ток от основного выпрямителя течет к обмотке индуктора основной генерирующей машины через резистор, вызывая соответствующее снижение напряжения на концах обмоток индуктора и якоря основной генерирующей машины. Сигнал на закрытие транзистора формируется блоком управления, расположенном на неподвижном корпусе, и передается к вращающемуся приводному валу посредством светового луча, что позволяет закрывать транзистор практически мгновенно, а значит, значительно ускорять процесс уменьшения выходного напряжения.[7] Patent publication KR101708023B1, February 17, 2017 discloses a brushless synchronous generator, in which a transistor and a resistor are placed on the drive shaft, connected in parallel to each other in the circuit between the main rectifier and the inductor winding of the main generating machine. In its on state, the transistor provides a short connection from the main rectifier to the inductor winding of the main generating machine, which allows the brushless generator to operate normally, as described above. When the output voltage rises to a predetermined threshold value, the transistor closes, causing current from the main rectifier to flow to the inductor winding of the main generating machine through the resistor, causing a corresponding decrease in voltage at the ends of the inductor windings and armature of the main generating machine. The signal to close the transistor is generated by a control unit located on a fixed housing and transmitted to a rotating drive shaft by means of a light beam, which makes it possible to close the transistor almost instantly, which means significantly speeding up the process of reducing the output voltage.

[8] Тем не менее, данному бесщеточному генератору, являющемуся прототипом полезной модели, свойственны существенные недостатки. Включение во вращающуюся электрическую цепь новых элементов (резистора и транзистора) с закреплением их на приводном валу требует, во-первых, прокладки управляющего кабеля по всей длине приводного вала, а во-вторых, размещения на приводном валу уравновешивающих весов для обеспечения его центровки. Данные меры существенно усложняют конструкцию и увеличивают вес бесщеточного генератора.[8] However, this brushless generator, which is the prototype of the utility model, has significant drawbacks. The inclusion of new elements (resistor and transistor) in a rotating electrical circuit with their fastening on the drive shaft requires, firstly, laying the control cable along the entire length of the drive shaft, and secondly, placing balancing weights on the drive shaft to ensure its centering. These measures significantly complicate the design and increase the weight of the brushless generator.

[9] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в упрощении конструкции и уменьшении веса бесщеточного генератора, способного быстро уменьшать выходное напряжение.[9] The technical problem to be solved by the utility model is to simplify the design and reduce the weight of a brushless generator capable of rapidly reducing the output voltage.

Сущность полезной моделиThe essence of the utility model

[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели 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. Обмотка индуктора возбудителя включена в мостовую схему, образованную четырьмя транзисторами и соединенную с источником постоянного напряжения, а блок управления возбудителем выполнен с возможностью такого управления упомянутыми транзисторами, которое позволяет изменять величину напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя и его полярность. Блок управления возбудителем при этом способен регулировать напряжение на концах обмотки индуктора возбудителя так, чтобы напряжение на концах обмотки якоря основной генерирующей машины стремилось к заданному напряжению. Кроме того, когда разность между напряжением на концах обмотки якоря основной генерирующей машины и заданным напряжением достигает установленной пороговой величины, блок управления возбудителем способен изменять полярность напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя на противоположную.[10] To solve this technical problem, an electric current generator is proposed as a utility model, containing a main generating machine, an exciter and an exciter control unit. The armature of the main generating machine and the exciter inductor are fixed on the generator body, and the inductor of the main generating machine and the exciter armature are fixed on the generator shaft. The exciter inductor winding is included in a bridge circuit formed by four transistors and connected to a constant voltage source, and the exciter control unit is configured to control said transistors in such a way that it allows changing the voltage value at the ends of the exciter inductor winding and its polarity. In this case, the exciter control unit is able to regulate the voltage at the ends of the exciter inductor winding so that the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine tends to the specified voltage. In addition, when the difference between the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine and the specified voltage reaches the set threshold value, the exciter control unit is able to reverse the polarity of the voltage at the ends of the exciter inductor winding.

[11] Технический результат полезной модели состоит в том, что остаточная намагниченность сердечников индуктора и якоря возбудителя, которая прежде являлась причиной инерционности изменения ЭДС в обмотке якоря возбудителя, при смене полярности напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя быстро нейтрализуется. Благодаря этому в случае падения нагрузки напряжение на концах обмотки якоря возбудителя, а вместе с ним и выходное напряжение бесщеточного генератора могут быть снижены за меньшее время. Ввиду того, что данный технический результат достигается без введения дополнительного управления во вращающуюся электрическую цепь, конструкция бесщеточного генератора относительно прототипа значительно упрощается.[11] The technical result of the utility model is that the residual magnetization of the cores of the inductor and the exciter armature, which previously caused the inertia of the change in the EMF in the exciter armature winding, is quickly neutralized when the polarity of the voltage at the ends of the exciter inductor winding is reversed. Due to this, in the event of a load drop, the voltage at the ends of the exciter armature winding, and with it the output voltage of the brushless generator, can be reduced in less time. Due to the fact that this technical result is achieved without the introduction of additional control in a rotating electrical circuit, the design of a brushless generator relative to the prototype is greatly simplified.

[12] Причинно-следственная связь между признаками полезной модели и техническим результатом заключается в следующем. Смена полярности напряжения на концах обмотки индуктора возбудителя изменяет направление течения электрического тока в указанной обмотке на противоположное. Одновременно с этим аналогичное изменение претерпевает и воспроизводимый индуктором возбудителя магнитный поток, что является причиной ускоренной нейтрализации остаточной намагниченности сердечников индуктора и якоря возбудителя. Следует отметить, что поскольку в обмотке якоря возбудителя индуцируется переменная ЭДС, то изменение направления тока в обмотке индуктора возбудителя никак не влияет на параметры тока в обмотке якоря возбудителя.[12] The causal relationship between the features of the utility model and the technical result is as follows. Reversal of the voltage polarity at the ends of the exciter inductor winding changes the direction of the electric current flow in the specified winding to the opposite. At the same time, the magnetic flux reproduced by the exciter inductor undergoes a similar change, which is the reason for the accelerated neutralization of the residual magnetization of the inductor and exciter armature cores. It should be noted that since a variable EMF is induced in the exciter armature winding, a change in the direction of the current in the exciter inductor winding does not affect the current parameters in the exciter armature winding.

[13] В частном случае полезной модели 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.[13] In a particular case of the utility model, a source of constant voltage is a subexciter paired with a rectifier, and the subexciter inductor containing a permanent magnet is fixed on the generator shaft, and the subexciter armature is fixed on the generator housing. In this version, the brushless generator is completely autonomous, which allows it to be used on an aircraft. Here we note that in the context of this presentation, the concept of "constant voltage" also includes a rectified voltage, characterized by a constant polarity, but a certain amplitude of change in magnitude.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

[14] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:[14] The implementation of the utility model will be explained with reference to the figures:

фиг. 1 - схематическое изображение бесщеточного генератора, выполненного согласно полезной модели;fig. 1 is a schematic representation of a brushless generator according to the utility model;

фиг. 2 - функциональная блок-схема модуля возбуждения.fig. 2 is a functional block diagram of the drive module.

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 их причинно-следственную связь с техническим результатом.It should be noted that the shape and dimensions of the individual elements shown in the figures may be conditional and may be shown in such a way as to most clearly illustrate the mutual arrangement of the brushless generator elements and their causal relationship with the technical result.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

[15] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших примерах реализации полезной модели, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.[15] The implementation of the utility model will be shown on the best examples of the implementation of the utility model, which are not restrictions on the scope of protected rights.

[16] 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.[16] Brushless generator 1 (Fig. 1) includes a housing 10, in the first and second end shields 11 and 12 of which the first and second bearings 21 and 22 are respectively installed, holding the drive shaft 20 with the possibility of its rotation. The first end shield 11 is provided with a flange section (not shown) intended to come into contact with the supporting element of the aircraft, which allows the brushless generator 1 to be cantilevered on the aircraft. At the free end of the drive shaft 20, located on the side of the first bearing 21, there is a drive gear 23, which is designed to engage with the gear of the gearbox that transmits torque from the aircraft engine to the drive shaft 20.

[17] 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.[17] The brushless generator 1 includes three synchronous generators: a main generating machine 40, an exciter 50, and a sub-exciter 60. The main generating machine inductor 41, the exciter armature 52, and the sub-exciter inductor 61 are fixed on the drive shaft 20 and are rotors in their generators 40, 50, 60 respectively. At the same time, the armature 42 of the main generating machine, the exciter inductor 51 and the subexciter armature 62, which are fixed on the housing 10, act as stators of the generators 40, 50, 60, respectively.

[18] 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.[18] The sub-exciter inductor 61 is provided with tangentially magnetized permanent magnets 63, which are placed in the body of the core, made, like other cores of the generators 40, 50, 60, in the form of a package of sheets of electrical steel. The armature 62 of the sub-exciter has a three-phase winding 64, at the ends of which, when the inductor 61 rotates, a three-phase alternating voltage occurs. The winding 64 is connected to the single-phase winding 53 of the exciter inductor 51 via the excitation module 70.

[19] Модуль 70 возбуждения предназначен для выпрямления переменного трехфазного напряжения, выдаваемого обмоткой 64, и изменения полученного постоянного напряжения до целевого постоянного напряжения, 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.[19] The driving unit 70 is designed to rectify the three-phase AC voltage output from the winding 64 and change the resulting DC voltage to a target DC voltage, the value of which is determined according to the feedback signal 79. Since the excitation module 70 is connected to the fixed windings 64 and 53, it can be fixed, for example, on the housing 10 or can be placed outside the brushless generator 1.

[20] 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 49 бесщеточного генератора 1.[20] The armature 52 of the exciter has a three-phase winding 54, at the ends of which, when the armature 52 rotates, a three-phase alternating voltage occurs. The winding 54 is connected to the single-phase winding 43 of the inductor 41 of the main generating machine through the main rectifier 30, which, being mounted on the drive shaft 20, rotates together with the windings 54, 43 and provides a DC voltage to the ends of the winding 43. The direct current flowing in the rotating winding 43 creates a magnetic field, under the action of which a three-phase alternating voltage arises at the ends of the three-phase winding 44 of the armature 42 of the main generating machine, which is the output voltage 49 of the brushless generator 1.

[21] 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 и нейтральным проводом (далее - фазное напряжение). В частности, величина выходного напряжения 49 в контексте настоящего изложения приравнивается к максимальному фазному напряжению обмотки 44.[21] It should be noted that the three-phase winding 44, as well as the three-phase windings 64 and 54 mentioned above, has a star connection, and the three-phase alternating voltage is understood to be the combination of voltages between each individual phase and the neutral wire (hereinafter referred to as the phase voltage) . In particular, the magnitude of the output voltage 49 in the context of this presentation is equated to the maximum phase voltage of the winding 44.

[22] Как было показано выше, для обеспечения надежного функционирования электрооборудования летательного аппарата и самого бесщеточного генератора 1 является критически важным, чтобы выходное напряжение 49 поддерживалось на заданной величине как во всем диапазоне изменения нагрузки со стороны бортовой сети, так и во всем диапазоне изменения частоты вращения приводного вала 20. Поскольку выходное напряжение 49 зависит также от величины напряжения на концах обмотки 54, то посредством соответствующего регулирования постоянного напряжения, 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 49.[22] As shown above, to ensure the reliable operation of the electrical equipment of the aircraft and the brushless generator 1 itself, it is critical that the output voltage 49 is maintained at a given value both in the entire range of load changes from the on-board network, and in the entire range of frequency changes. rotation of the drive shaft 20. Since the output voltage 49 also depends on the magnitude of the voltage at the ends of the winding 54, by appropriate regulation of the DC voltage supplied to the ends of the winding 53, it is possible to compensate for the influence of both the load side and the torque source, so that to ensure the stability of the output voltage 49.

[23] 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.[23] The excitation module 70 includes a rectifier 71, a bridge circuit 80, and an exciter control unit 72. Let us pay attention to the fact that in the context of this presentation, such concepts as “excitation module 70”, “exciter control unit 72”, etc. reflect primarily the functional content of the blocks they designate described here, while the technical implementation of these blocks is obvious to a person skilled in the art and can have a different configuration. For example, each of these blocks can be made as a separate physically separate device or can be made without physical separation as part of a more complex device. At the same time, execution is possible when the components of any of these blocks can be distributed among different devices.

[24] 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.[24] Rectifier 71 is a three-phase bridge circuit known to those skilled in the art, supplemented with a smoothing capacitance filter. However, the rectifier 71 may have any other configuration suitable for use in the excitation module 70.

[25] 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.[25] Given the above assumption that the rectified voltage is equal to the DC voltage, in the brushless generator 1, the subexciter 60 paired with the rectifier 71 is considered as a DC voltage source. However, it should be noted that in some versions, the brushless generator 1 may not contain a sub-exciter 60 and a rectifier 71, and then an external power supply acts as a constant voltage source.

[26] 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.[26] The bridge circuit 80 is formed by four transistor switches 81, 82, 83, 84 (hereinafter referred to as transistors), which are connected in series with each other in this order to form a closed circuit, with one diagonal of this circuit connected to the rectifier 71, and the other to to winding 53. Winding 53 may be connected to rectifier 71 either through a pair of transistors 81 and 83 or through a pair of transistors 82 and 84. non-conductive electrical current. In a working pair, one transistor is in the open state, and the other is able to alternate its open and closed states, which allows you to respectively close and open the electrical circuit between the winding 53 and the rectifier 71.

[27] Блок 72 управления возбудителем способен получать сигнал 79 обратной связи, содержащий информацию о текущих, а опционально и о прогнозируемых значениях выходного напряжения 49 и частоты вращения приводного вала 20. На основе сигнала 79 обратной связи блок 72 управления возбудителем способен рассчитывать целевое постоянное напряжение, которое должно быть подано на обмотку 53 для того, чтобы выходное напряжение 49 стремилось к заданному напряжению. 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 на концах обмотки 53 было равно целевому постоянному напряжению. Другими словами, блок 72 управления возбудителем регулирует постоянное напряжение на концах обмотки 53 посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения.[27] The exciter control unit 72 is able to receive a feedback signal 79 containing information about the current, and optionally predicted values of the output voltage 49 and the speed of the drive shaft 20. Based on the feedback signal 79, the exciter control unit 72 is able to calculate the target DC voltage , which must be applied to the winding 53 in order for the output voltage 49 to tend to a given voltage. In addition, the driver control unit 72 is configured to control the operating pair of transistors of the bridge circuit 80 so that, as a result of alternating periods of closing and opening of the electrical circuit between the winding 53 and the rectifier 71, the time-averaged DC voltage at the ends of the winding 53 is equal to the target DC voltage. In other words, the driver control unit 72 regulates the DC voltage at the ends of the winding 53 by pulse width modulation (PWM) of the voltage.

[28] 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 на концах обмотки 53 станет равным целевому постоянному напряжению, а выходное напряжение 49 станет равным заданному напряжению. Следует отметить, что возможны и другие алгоритмы управления транзисторами 82 и 84 для осуществления ШИМ напряжения.[28] For example, transistors 81 and 83 are inactive pair transistors and therefore remain off. In this case, current from rectifier 71 flows through transistor 82, winding 53, and transistor 84, i. in the direction of arrow 2. If, for example, transistor 82 is constantly in the open state, and transistor 84, under the control of the exciter control unit 72, alternates its open and closed states, then at a certain ratio of the periods of the open and closed states of the transistor 84, the time-averaged constant voltage across winding ends 53 will become equal to the target DC voltage, and the output voltage 49 will become equal to the set voltage. It should be noted that other algorithms for driving transistors 82 and 84 to implement the PWM voltage are possible.

[29] Однако, как было показано выше, при резком и значительном падении нагрузки даже очень быстрая подача на концы обмотки 53 обновленного целевого постоянного напряжения не приводит к такому же быстрому изменению напряжения на концах обмотки 54. Соответственно, выходное напряжение 49 какое-то время будет существенно превышать заданное напряжение, что может привести к описанным выше нежелательным последствиям для подключенного к бортовой сети электрооборудования и самого бесщеточного генератора 1. Причина данной инерционности изменения напряжения на концах обмотки 54 кроется в сравнительно медленном снижении остаточной намагниченности сердечников индуктора 51 и якоря 52 возбудителя.[29] However, as shown above, with a sharp and significant load drop, even a very fast application of a renewed target DC voltage to the ends of the winding 53 does not lead to the same rapid change in the voltage at the ends of the winding 54. Accordingly, the output voltage 49 for some time will significantly exceed the specified voltage, which can lead to the undesirable consequences described above for the electrical equipment connected to the on-board network and for the brushless generator 1 itself.

[30] Тем не менее, когда блок 72 управления возбудителем определяет, что выходное напряжение 49 отклоняется от заданного напряжения на установленную пороговую величину или больше нее, 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. 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 на концах обмотки 53 было равно целевому постоянному напряжению.[30] However, when the driver control unit 72 determines that the output voltage 49 deviates from the set voltage by a set threshold value or more, it reverses the polarity of the DC voltage at the ends of the winding 53. To do this, the exciter control unit 72 converts the previously working pair of transistors of the bridge circuit 80 to a non-working pair and vice versa. In this example, the exciter control unit 72 closes the transistors 82, 84 and opens the transistors 81 and 83. As described above, the exciter control unit 72 keeps the transistor 83 in the open state constantly, and through the transistor 81, PWMs the voltage so that a constant voltage at the ends of the winding 53 was equal to the target DC voltage.

[31] 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 приведение выходного напряжения 49 к заданному напряжению существенно ускоряется. В то же время поскольку в обмотке 54 индуцируется переменная ЭДС, то изменение направления тока в обмотке 53 никак не влияет на напряжение на концах обмотки 54.[31] As a result, current from rectifier 71 now flows through transistor 83, winding 53, and transistor 81, i. in the direction of arrow 3, which is opposite to the previous direction of current, indicated by arrow 2. Reversing the direction of current in winding 53 causes the same change in the direction of the magnetic flux covering inductor 51 and armature 52, due to which the residual magnetization of the cores of inductor 51 and armature 52 is quickly removed , and bringing the output voltage 49 to a given voltage is significantly accelerated. At the same time, since a variable EMF is induced in winding 54, a change in the direction of current in winding 53 does not affect the voltage at the ends of winding 54.

[32] 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 49 в нормальном режиме эксплуатации бесщеточного генератора 1.[32] It should also be noted that the four-transistor bridge circuit 80 included in the drive module 70 greatly improves the reliability of the brushless generator 1, because even if one transistor fails, the second operating circuit for controlling the constant voltage at the ends of the winding 53 is maintained. This circuit passes through a pair of transistors that does not include a damaged transistor, which makes it possible to fully stabilize the output voltage 49 in the normal operation of the brushless generator 1.

[33] Далее модуль 70 возбуждения может содержать вольтодобавочное устройство (не показано), включенное между выпрямителем 71 и мостовой схемой 80. В случае низкой частоты вращения приводного вала 20 вырабатываемое подвозбудителем 60 напряжение может оказаться слишком малым для надлежащего возбуждения индуктора 41. При таких условиях вольтодобавочное устройство доводит подаваемое на мостовую схему 80 напряжение до величины, минимально достаточной для поддержания выходного напряжения 49 на уровне заданного напряжения. Специалисту в данной области известно множество конфигураций вольтодобавочных устройств, и в бесщеточном генераторе 1 может быть использована любая из них, подходящая для данного случая.[33] Further, the driver module 70 may include a voltage booster (not shown) connected between the rectifier 71 and the bridge circuit 80. If the speed of the drive shaft 20 is low, the voltage generated by the sub-exciter 60 may be too low to properly drive the inductor 41. Under such conditions the booster device brings the voltage supplied to the bridge circuit 80 to a value that is minimally sufficient to maintain the output voltage 49 at the level of the specified voltage. A person skilled in the art knows many configurations of booster devices, and any of them suitable for a given case can be used in a brushless generator 1.

Claims

1. An electric current generator containing a main generating machine, an exciter and an exciter control unit, moreover, the armature of the main generating machine and the exciter inductor are fixed on the generator housing, and the inductor of the main generating machine and the exciter armature are fixed on the generator shaft, while the winding of the exciter inductor is included in a bridge circuit formed by four transistors and connected to a constant voltage source, and the exciter control unit is configured to control the said transistors in such a way that it allows you to change the voltage value at the ends of the exciter inductor winding and its polarity, and the exciter control unit is able to regulate the voltage at the ends of the inductor winding exciter so that the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine tends to the specified voltage, and when the difference between the voltage at the ends of the armature winding of the main generating machine and the specified voltage is up to reaches the set threshold value, the exciter control unit is able to change the polarity of the voltage at the ends of the exciter inductor winding to the opposite one.

2. The generator according to claim 1, in which the source of constant voltage is a sub-exciter paired with a rectifier, and the sub-exciter inductor containing a permanent magnet is fixed on the generator shaft, and the sub-exciter armature is fixed on the generator housing.