RU2681839C1 - Автономная система электроснабжения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей системы за счет возможности питания нагрузок переменного напряжения нестабильной частоты, но стабильной амплитуды и регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением, а также за счет возможности пофазной симметрирующей стабилизации переменного напряжения стабильной частоты, который обеспечивается благодаря тому, что в автономную систему электроснабжения, содержащую в каждом магистральном канале трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного напряжения с нестабильными параметрами, диодно-мостовой выпрямитель, двухконденсаторную фильтровую стойку, корректор коэффициента мощности, состоящий из первого индуктивно-емкостного фильтра и трех двунаправленных электронных ключей, первый импульсный модулятор с тремя вентильно-ключевыми стойками, фильтровым конденсатором, трансформатор с первой и второй обмотками, четыре группы распределительных шин для подключения: первая - стартера-генератора и нагрузок переменного напряжения с нестабильными параметрами, вторая - нагрузок переменного напряжения со стабильными параметрами, третья и четвертая - источников электропитания и нагрузок, а также питания аналогичных шин низкого и повышенного постоянных напряжений параллельных магистральных каналов, и кроме того, блок управления с цепями обратных связей и с первой группой импульсно-модуляторных выводов, во-первых, введены второй импульсный модулятор, трансреактор с обмотками, фильтровые конденсаторы, обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, повышающий импульсный конвертер, балластные дроссели, управляемый вентильный мостовой выпрямитель, пятая группа распределительных шин для подключения нагрузок переменного напряжения с нестабильной частотой, но стабильной амплитудой, второй индуктивно-емкостный фильтр и трехфазный циклоконвертер, состоящий из двунаправленных управляемых вентилей, трансформатор снабжен третьей обмоткой, а также тремя фазными обмотками, а блок управления снабжен второй группой импульсно-модуляторных выводов и группой релейно-сигнальных выводов, во-вторых, в каждый из модуляторов введен буферный конденсатор, в-третьих, импульсный конвертер выполнен состоящим из диодно-ключевой стойки, управляемого вентиля и дроссельно-конденсаторной стойки, а блок управления снабжен дополнительными выводами, в-четвертых, модуляторы снабжены демпферно-снабберными цепочками, состоящими из демпферных дросселей снабберных конденсаторов и двухдиодных стоек и, в-пятых, в нее введены внешние выводы для подключения регулируемого исполнительного электропривода и три трехфазные группы управляемых контакторов, а блок управления снабжен командными выводами, а в-шестых, в каждый модулятор введен уравнительный делитель напряжений, состоящий из уравнительного реактора и двух диодно-ключевых стоек, а блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве канала авиабортового комбинированного электроэнергетического комплекса с резервно-аккумуляторным источником бесперебойного питания.

Известна автономная система электроснабжения (аналог), содержащая в каждом магистральном канале трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, управляемые выпрямители повышенного (270 В) и низкого (27 В) напряжения, трехфазный инвертор переменного тока стабильной частоты (200 В, 400 Гц), распределительные шины переменного тока нестабильной и стабильной частоты, распределительные шины постоянных повышенного и низкого напряжений и блок управления (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах; под ред. С.А. Грузкова/М.: Изд-во МЭИ, 2005 г. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. 2005 г., 568 с., стр. 503, рис. 14.18 г).

Недостатком данной автономной системы электроснабжения (аналога) является отсутствие обратимости и взаиморезервирования направлений потоков электроэнергии, что приводит к низкой энергоэкономичности и низкой надежности, в частности - аварийной «живучести» системы.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сути является автономная система электропитания (прототип), содержащая в каждом магистральном канале трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, диодно-мостовой выпрямитель, двухконденсаторную фильтровую стойку, корректор коэффициента мощности с индуктивно-емкостным фильтром и тремя двунаправленными электронными ключами, заземляющими вход выпрямителя, импульсный модулятор с тремя диодно-ключевыми стойками и двумя управляемыми вентилями, высокочастотный трансформатор с антинасыщающим зазором в сердечнике магнитопровода (трансреактор) и двумя двухсекционными обмотками, две двухконденсаторные фильтровые стойки, обратимый импульсный обратноходовый модулятор (конвертер), обратимый преобразователь частоты, четыре группы распределительных шин для подключения: 1) стартера-генератора и нагрузок переменного напряжения с нестабильными параметрами, 2) нагрузок переменных напряжений со стабильными параметрами (например, 200 В, 400 Гц), 3) нагрузок низкого постоянного напряжения (например, 27 В) своего и параллельных магистральных каналов и 4) нагрузок повышенного постоянного напряжения (например, 270 В) своего и параллельных магистральных каналов, а также блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям, с импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами; для управления ключами и вентилями (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В., Коняхин С.Ф. Автономная система электропитания. Патент на полезную модель №124454. Бюл. №2 от 20.01.2013 г.)

К недостаткам указанной автономной системы электроснабжения (прототипа) относятся: а) узкие функциональные возможности системы из-за неспособности питания (без специальных дополнительных преобразователей) нагрузок переменного напряжения нестабильной частоты, но стабильной амплитуды и регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением, а также неспособности пофазной симметрирующей стабилизации переменного напряжения стабильной частоты; б) низкие надежность и КПД цепи питания стартера-генератора в стартерном режиме из-за большого числа ее каскадов; в) низкие КПД и удельная мощность системы из-за однотактного (обратноходового) трансформаторного преобразования электроэнергии и больших коммутационных тепловых потерь при «жесткой» коммутации электронных высокочастотных ключей (при ненулевых токах и напряжениях) и г) большие помехоизлучения из-за той же «жесткой» коммутации.

Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей системы за счет возможности питания нагрузок переменного напряжения нестабильной частоты, но стабильной амплитуды и регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением, а также за счет возможности пофазной симметрирующей стабилизации переменного напряжения стабильной частоты. К дополнительным техническим результатам относятся: повышение надежности и КПД цепи питания стартера-генератора в стартерном режиме за счет снижения числа ее каскадов, повышение КПД и удельной мощности системы за счет двухтактного (прямо- и обратноходового) трансформаторного преобразования электроэнергии и за счет «мягкой» коммутации электронных ключей, а также снижение помехоизлучений за счет той же «мягкой» коммутации.

Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в автономную систему электроснабжения, содержащую в каждом магистральном канале трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, диодно-мостовой выпрямитель, двухконденсаторную фильтровую стойку, корректор коэффициента мощности, состоящий из первого индуктивно-емкостного фильтра и трех двунаправленных электронных ключей, первый импульсный модулятор с тремя вентильно-ключевыми стойками и фильтровым конденсатором, трансформатор с первой и второй обмотками, четыре группы распределительных шин для подключения: первая - стартера-генератора и нагрузок переменного напряжения с нестабильными параметрами, вторая - нагрузок переменного напряжения со стабильными параметрами, третья - источников электропитания и нагрузок, а также аналогичных шин параллельных магистральных каналов низкого и повышенного постоянных напряжений, и кроме того - блок управления с цепями обратных связей и с первой группой импульсно-модуляторных выводов, во-первых, ВВЕДЕНЫ второй импульсный модулятор, трансреактор с обмотками и, фильтровые конденсаторы, обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь, повышающий импульсный конвертер, балластные дроссели, управляемый вентильный мостовой выпрямитель, пятая группа распределительных шин для подключения нагрузок переменного напряжения с нестабильной частотой, но стабильной амплитудой, второй индуктивно-емкостный фильтр и трехфазный циклококвертор, состоящий из двунаправленных управляемых вентилей, трансформатор СНАБЖЕН третьей обмоткой, а также тремя фазными обмотками, а блок управления СНАБЖЕН второй группой импульсно-модуляторных выводов и группой релейно-сигнальных выводов, во-вторых, в каждый из модуляторов ВВЕДЕН буферный конденсатор, в-третьих, импульсный конвертер ВЫПОЛНЕН состоящим из диодно-ключевой стойки, управляемого вентиля и дроссельно-конденсаторной стойки, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными выводами, в-четвертых, модуляторы СНАБЖЕНЫ демпферно-снабберными цепочками, состоящими из демпферных дросселей, снабберных конденсаторов и двухдиодных стоек, в-пятых, в нее ВВЕДЕНЫ внешние выводы для подключения регулируемого исполнительного электропривода и три трехфазные группы управляемых контакторов, а блок управления СНАБЖЕН командными выводами, а в-шестых, в каждый модулятор ВВЕДЕН уравнительный делитель напряжений, состоящий из уравнительного реактора и двух диодно-ключевых стоек, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными импульсно-модуляторными выводами.

Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование подтвердили работоспособность предлагаемой автономной системы электроснабжения и целесообразность ее широкого промышленного использования, в частности - для реализации перспективной концепции полностью электрифицированных самолетов (ПЭС), не содержащих пневмо- и гидроприводов (в том числе - приводов постоянной частоты вращения магистральных стартер-генераторов) и имеющих высокую электроэнерговооруженность (до 1,5 МВт и более).

На чертеже (Фиг.) представлены силовая принципиальная схема и цепи управления одного из однотипных магистральных каналов предлагаемой автономной системы электроснабжения.

Автономная система электроснабжения содержит в каждом магистральном канале: трехфазный электромашинный стартер-генератор 1 переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, диодно-мостовой выпрямитель 2 с подключенными к его выходу двухконденсаторной фильтровой стойкой 3-4, а к входу - корректором коэффициента мощности, состоящим из первого индуктивно-емкостного фильтра 5 и трех двунаправленных электронных ключей 6, заземляющих собой вход выпрямителя, первый импульсный модулятор 7 с тремя диодно-ключевыми стойками 8-9, 10-11 и 12-13 и фильтровым конденсатором 14, высокочастотный трансформатор 15 с первой и второй обмотками 16 и 17 и четыре группы распределительных шин 18, 19, 20, 21, из которых первая трехфазная - для подключения стартера-генератора и нагрузок переменных напряжений с нестабильными параметрами, вторая трехфазная - для подключения нагрузок переменных напряжений со стабильными параметрами, третья и четвертая - парные - для подключения источников электропитания и нагрузок низкого и повышенного постоянных напряжений, соответственно, а также аналогичных шин параллельных магистральных каналов. Кроме, этого система содержит блок управления 22 с цепями 23 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с первой группой 24 импульсно-модуляторных выводов. Система также содержит: второй импульсный модулятор 25, аналогичный по составу и схеме соединений первому модулятору, трансреактор 26 с первичной и вторичной обмотками 27 и 28 и общим для них магнитопроводом, первый и второй фильтровые конденсаторы 29 и 30, обратимый выпрямительно-инверторный трехфазный преобразователь 31 в виде двух встречно-параллельных диодного и ключевого мостов, дополненный повышающим импульсным конвертером 32 и тремя балластными дросселями 33, диодно-вентильный управляемый выпрямитель 34, пятую трехфазную группу 35 распределительных шин для подключения нагрузок переменного напряжения с нестабильной частотой, но со стабильной амплитудой, дополненная вторым индуктивно-емкостным фильтром 36, и трехфазный циклоконвертер 37, состоящий из двунаправленных электронных управляемых вентилей. Трансформатор также имеет двухсекционную третью обмотку 38 и три фазных двухсекционных обмотки 39, 40, 41. Блок управления снабжен также второй группой 42 импульсно-модуляторных выводов и группой 43 релейно-сигнальных выводов. Каждый из импульсцых модуляторов имеет также буферный конденсатор 44. Повышающий импульсный конвертер состоит из диодно-ключевой стойки 45-46, управляемого вентиля 47 и дроссельно-конденсаторной стойки 48-49. Блок управления снабжен также дополнительными импульсно-модуляторным и релейно-сигнальным выводами 50 и 51. В каждом импульсном модуляторе ключи первой и третьей диодно-ключевых стоек снабжены каждый демпферно-снаббернной цепочкой, состоящей из демпферного дросселя 52, 53, снабберного конденсатора 54, 55 и зарядно-разрядной двухдиодной стойки 56-57, 58-59. Помимо перечисленного система содержит: внешние выводы 60 для подключения регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением и три трехфазные группы управляемых контакторов 61, 62, 63. Блок управления снабжен также командными выводами 64.

Обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь 31 подключен своими выводами постоянного тока через повышающий импульсный конвертер 32 к четвертой парной группе 21 распределительных шин, а своими выводами переменного тока - через балластные дроссели 33 - к первой трехфазной группе 18 распределительных шин. Пятая трехфазная группа 35 распределительных шин подключена через второй индуктивно-емкостный фильтр 36 к входу диодно-мостового выпрямителя 2. Третья обмотка 38 трансформатора 15 подключена через управляемый выпрямитель 34 к крайним и к заземленному среднему выводам фильтровой стойки 3-4, шунтирующей четвертую парную группу 21 распределительных шин. Фазные обмотки 39, 40, 41 трансформатора 15 подключены через двунаправленные вентили циклоконвертера 37 ко второй трехфазной группе 19 распределительных шин. В каждом из импульсных модуляторов 7 и 25 буферный конденсатор 44 подключен своим первым выводом через диодный вентиль 12 и ключ 13 третьей вентильно-ключевой стойки и через соответствующую обмотку 27, 28 трансреактора 26 к среднему выводу соответствующей обмотки 16, 17 трансформатора 15, крайние выводы которой подключены к средним выводам первой и второй вентильно-ключевых стоек 8-9 и 10-11, параллельно соединенных между собой одноименными выводами, подключенными через ключ 13 третьей вентильно-ключевой стойки 12-13 к выводам соответствующего фильтрового конденсатора 14, соединенного своим незаземленным выводом со вторым выводом буферного конденсатора 44.

Ключ 46 диодно-ключевой стойки 45-46 повышающего импульсного конвертера 32 шунтирует своими силовыми выводами крайние выводы дроссельно-конденсаторной стойки 48-49. Управляемый вентиль 47 этого конвертера 32 включен своими силовыми выводами между крайним диодным выводом диодно-ключевой стойки 45-46 и средним выводом дроссельно-конденсаторной стойки 48-49. Демпферно-снабберная цепочка каждого из ключей первой и второй вентильно-ключевых стоек импульсных модуляторов 7 и 25 своим демпферным дросселем 52, 53 включена последовательно с этим ключом, средним выводом диодно-вентильной стойки 56-57, 58-59 подключена через снабберный конденсатор 54, 55 к первому силовому выводу этого ключа, своим диодным крайним выводом подключена ко второму силовому выводу этого же ключа, а своим вентильным крайним выводом - к среднему выводу соответствующей из первой и второй обмоток 16, 17 трансформатора 15.

Первая трехфазная группа управляемых контакторов 61 включена между внешними выводами 60 и выводами переменного тока выпрямительно-инверторного преобразователя 31, вторая группа 62 - между ними же и первой трехфазной группой 18 распределительных шин, а третья группа 63 - между последней (18) и выводами стартера-генератора 1.

Блок управления 22 своей первой группой 24 импульсно-модуляторных выводов подключен к управляющим выводам двунаправленных ключей 6 корректора коэффициента мощности, ключей 9, 11, 13 и управляемых вентилей 8 и 10 первого импульсного модулятора 7, своей второй, группой 42 импульсно-модуляторных выводов - к управляющим выводам аналогичных ключей и вентилей второго импульсного модулятора 25 и ключей обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя 31, своими релейно-сигнальными выводами 43 - у управляющим вентилям управляемого выпрямителя 34 и двунаправленных вентилей циклоконвертера 37, своими дополнительными выводами 50 и 51 - к управляющим выводам ключа 46 и вентиля 47 импульсного конвертера 32, своими командными выводами 64 - к управляющим выводам групп контакторов 61, 62, 63, а своими вспомогательными импульсно-модуляторными выводами 71 - к управляющим выводам ключей 68, 70 уравнительных делителей напряжений.

Первичная и вторичная обмотки 27 и 28 трансреактора 26 включены электромагнитно-согласно относительно направлений проводимости ключей 13 третьих диодно-ключевых стек 12-13 импульсных модуляторов 7 и 25 (что обозначено точками начал обмоток 27 и 28 на чертеже).

В качестве однонаправленных электронных ключей использованы транзисторные ключи или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, в качестве двунаправленных ключей 6 - пары последовательно-встречно включенных транзисторных ключей, зашунтированных обратными диодами, в качестве однонаправленных управляемых вентилей - обычные (однооперационные) тиристоры, а в качестве двунаправленных вентилей циклоконвертера - симисторы (триаки) или пары встречно-параллельных однооперационных тиристоров. В качестве электромашинного стартера-генератора 1 использован магнитоэлектрический синхронный генератор с роторными постоянными магнитами, приводимыми во вращение от топливной силовой установки (например, авиадвигателя или вспомогательной авиабортовой установки).

Автономная система электроснабжения работает следующим образом. К третьей парной группе 20 распределительных шин подключают низковольтный источник электропитания (например, авиабортовую аккумуляторную батарею с напряжением 28 В). К четвертой парной группе 21 распределительных шин подключают нагрузку постоянного повышенного напряжения (например, униполярную с напряжением ±270 В (±540 В) или дифференциальную с заземленным средним выводом - с напряжением 0±135 В (0±270 В)), а также аналогичную группу распределительных шин параллельного канала электропитания. К первой трехфазной группе 18 распределительных шин подключают (через третью группу 63 контакторов) стартер-генератор 1, а также нагрузку переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды (например, в диапазонах 360…800 Гц и 115/200 В…250/440 В). Ко второй трехфазной группе 19 распределительных шин подключают нагрузку переменного тока со стабильными параметрами (например, 115/200 В, 400 Гц). К пятой трехфазной группе 35 подключают нагрузки переменного напряжения нестабильной частоты, но со стабильной амплитудой (например, 360…800 Гц,

К внешним выводам 60 подключают трехфазную электродвигательную обмотку электропривода с рекуперативным торможением (с возвратом энергии торможения в источники электропитания).

На импульсно-модуляторных выводах блока управления 22 формируются высокочастотные прямоугольные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции: Т_шим и с регулируемой длительностью: t_и=γ⋅Т_шим, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса, регулируемая в зависимости от разности между сигналом в цепи 23 обратной связи и соответствующим эталонным сигналом. На релейно-сигнальных выводах 43 блока управления формируются относительно низкочастотные кратковременные импульсы (или пачки импульсов), причем импульсы (или их пачки), формируемые на выводах 43 для управления циклоконвертером 37, синхронизированы с низкой частотой выходного переменного напряжения на распределительных шинах 19.

Корректор коэффициента мощности с двунаправленными ключами 6 работает по известному принципу повышающего полярно-повторяющего реверсивного широтно-импульсного модулятора, обеспечивающего: во-первых, синусоидальную форму фазных токов на входе первого индуктивно-емкостного фильтра 5, синхронных и синфазных с соответствующими фазными напряжениями стартера-генератора 1 в генераторном режиме, а во-вторых, - стабилизацию средневыпрямленного напряжения на парной четвертой группе 21 распределительных шин. При этом на входе второго индуктивно-емкостного фильтра 36 автоматически формируются трапецеидальные фазные переменные напряжения, преобразуемые с помощью второго фильтра 36 на пятой трехфазной группе 35 распределительных шин - в синусоидальные напряжения с нестабильной частотой, но стабильной амплитудой (например, 360…800 Гц, 115/200 В).

1. Работа первого импульсного модулятора 7 и выпрямительного узла модулятора 25.

В исходном состоянии фильтровый и буферный конденсаторы 14 и 44 заряжены (с полярностями, указанными на чертеже). В зависимости от соотношения напряжения питания (U₂₉=U₁₄) и значений напряжений на дифференциальных выходах выпрямителя 34, приведенных к секции первичной обмотки 16 трансформатора 15 (через коэффициент трансформации): 0,5U₁₆, различают два возможных режима импульсной модуляции: 1а) режим «понижения» напряжения и 1б) режим «повышения» напряжения.

1а) Режим «понижения» напряжения (U₁₄>0,5U₁₆). При каждом очередном включении ключа 9 (или 11) наступает этап нарастания полного потокосцепления (dΨ/dt>0) трансреактора 26 вместе с токами в цепях: 14-27-(секция 16)-9 (или 11)--14, а также: 17-8₂₅-12₂₅-44₂₅-14₂₅-(обратный диод 11₂₅)-17 и 28-(14₂₅)-(обратный диод 11₂₅)-(секция 17)-28 (прямоходовая зарядка фильтрового и буферного конденсаторов 14₂₅ и 44₂₅ второго модулятора 25). Вслед за этим производится (синхронно) выключение ключа 9 (или 11) и включение ключа 13₂₅ и вентиля 8₂₅ (или 10₂₅), и наступает этап токозамыкающей паузы с приблизительным сохранением потокосцепления трансреактора 26 (dΨ/dt≈0) вместе с током в замкнутой накоротко цепи: 28-(секция 17)-8₂₅ (или 10₂₅)-13₂₅-28. При этом токи, обусловленные ЭДС самоиндукции индуктивностей рассеяния обмотки 27 трансреактора 26 и секции обмотки 16 трансформатора 15 относительно быстро спадают до нуля по соответствующим цепям. По окончании токозамыкающей паузы (с относительной длительностью: Δγ=Δt/T_шим) ключ 1325 также выключается, и наступает этап частичного (или полного) спада потокосцепления трансреактора (dΨ/dt<0) вместе с токами в цепях: 28-(секция 17)-8₂₅-(или 10₂₅)--12₂₅-44₂₅-28 (обратноходовая зарядка буферного конденсатора 44₂₅ второго модулятора 25).

Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, индуцируя в третьей обмотке 38 и в фазных обмотках 39, 40, 41 трансформатора 15 высокочастотную ЭДС. При этом снабберные конденсаторы 54 и 55 заряжаются через зарядные диоды 56 и 58 при выключении шунтируемых ими ключей и полностью разряжаются через те же ключи и через вентили 57 и 59 на соответствующие секции первичной обмотки 16 трансформатора 15 для дальнейшей передачи накопленной ими энергии в нагрузку. Указанные конденсаторы вместе с демпферными дросселями 52, 53 и с индуктивностями рассеяния обмотки трансформатора обеспечивают «мягкую» коммутацию ключей (при нулевом токе или напряжении).

1б) Режим «повышениия» напряжения (U₁₄<0,5U₁₆). На первом этапе (dΨ/dt>0) в первом модуляторе ключи 9 и 11 включаются вместе (синхронно), после чего полное потокосцепление трансреактора 26 нарастает вместе с токами в цепях: 14-27-(секция 16)-9-14 и 14-27-(секция 16)-11-14, не вызывая намагничивания магнитопровода трансформатора 15. Вслед за этим производятся (синхронно) в первом модуляторе выключение одного из ключей 9 или 11 (поочередно от периода к периоду ШИМ), а во втором модуляторе - включение ключа 13₂₅ и соответствующего вентиля 8₂₅ или 10₂₅, и наступает этап токозамыкающей паузы (длительностью: Δt=Δγ⋅Т_шим) с приблизительным сохранением полного потокосцепления трансреактора 26 (dΨ/dt≈0) вместе с током в замкнутой накоротко цепи второго модулятора: 28-(секция 17)-10₂₅ (или 8₂₅)-13₂₅-28. При этом ток, обусловленный ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния секции обмотки 16 трансформатора 15, относительно быстро спадает до нуля по цепи первого модулятора: (секция 16)-8 (или 10)-12-44-27-(секция 16), а ток в другой секции этой обмотки 16 скачкообразно почти удваивается (сохраняя при этом полное потокосцепление трансформатора (и ток циклоконвертера 37) и индуцирует скачок ЭДС во второй обмотке 17 и соответствующее нарастание тока в цепи второго модулятора: 28-(секция 17)-8₂₅-12₂₅-44₂₅-28 (обратноходовая зарядка конденсатора 44₂₅ второго модулятора).

По истечении указанной паузы ключи 9 (или 11) и 13 также выключаются, после чего в течение оставшегося от периода T_шим времени: T_шим - t₁ - Δt=(1 - γ₁ - Δγ⋅Т_шим происходят частичные (или полные) спадания полных потокосцеплений трансреактора и трансформатора вместе с токами в цепях: 27-(секция 16)-10 (или 8)-12-44-27 и 28-(секция 17)-8₂₅ (или 10₂₅)-44₂₅-28 («обратноходовая» зарядка буферного конденсатора 44₂₅). Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются, осуществляя питание распределительных шин 21 от шин 20. При этом в фазных обмотках 39, 40, 41 трансформатора 15 индуцируются высокочастотные прямоугольные переменные ЭДС с регулируемыми параметрами (за счет регулирования γ и Δγ), которые благодаря низкочастотной «демодуляции» с помощью циклоконвертера, работающего как три реверсивных выпрямителя с временным взаимным фазовым сдвигом (2π/3), формируют на второй трехфазной группе 19 распределительных шин трехфазное переменное низкочастотное напряжение со стабильными параметрами частоты и амплитуды (115/200 В, 400 Гц). Одновременно с помощью третьей обмотки 38 трансформатора 15 и управляемого выпрямителя 34 может обеспечиваться резервное питание четвертой парной группы 21 распределительных шин постоянным повышенным напряжением (в обход второго импульсного модулятора 25).

При обратном преобразовании электроэнергии: от шин 21 к шинам 20 (при зарядке аккумуляторной батареи) импульсные модуляторы 7 и 25 меняются своими функциями, а в силу идентичности их составов и схем соединений процессы протекают тем же вышеописанным образом.

В процессах прямого и обратного преобразования в импульсных модуляторах 7 и 25 обеспечивается «мягкая» коммутация ключей 9 и 13 (включения при нулевых токах, а выключения - при нулевых напряжениях - без «скачков») за счет демпферно-снабберных цепочек, практически не рассеивающих тепла. Снабберные конденсаторы 54 и 55 плавно заряжаются через демпферные дроссели 52, 53 при выключениях ключей 9 и 11, а затем полностью разряжаются при их включениях, и включениях разрядных вентилей 57 и 59 зарядно-разрядных диодов вентильных стоек, передавая накопленную ими энергию трансформатору 15 для дальнейшей передачи в нагрузку.

Обратимый выпрямительно-инверторный (трехфазно-мостовой) преобразователь 31 является общеизвестным, не требующим пояснений принципа действия. В его функциональные возможности входят: а) обеспечение (через контактные группы 62 и 63) стартерного режима для стартера-генератора 1 при запуске его приводной силовой установки от источника электропитания (низкого или повышенного напряжения); б) регулируемое питание (через внешние выводы 60) исполнительного привода с режимом рекуперативного торможения (в широком скоростном диапазоне, вплоть до остановки - за счет повышающего импульсного инвертора 32) и в) резервное питание первой фазной группы 18 распределительных шин (через вторую группу контакторов 62), а также диодно-мостового выпрямителя 2.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая автономная система электроснабжения обеспечивает основной технический результат: расширение функциональных возможностей системы за счет возможности питания нагрузок переменного напряжения нестабильной частоты, но стабильной амплитуды и регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением, а также за счет возможности пофазной симметрирующей стабилизации переменного напряжения стабильной частоты, и кроме того - дополнительные технические результаты: повышение надежности и КПД цепи питания стартера-генератора в стартерном режиме за счет снижения числа ее каскадов, повышение КПД и удельной мощности системы за счет двухтактного (прямо- и обратноходового) трансформаторного преобразования электроэнергии и за счет «мягкой» коммутации электронных ключей, а также снижение помехоизлучений за счет той же «мягкой» коммутации.

Claims (6)

1. Автономная система электроснабжения, содержащая в каждом магистральном канале трехфазный электромашинный стартер-генератор переменного напряжения с нестабильными параметрами частоты и амплитуды, диодно-мостовой выпрямитель с подключенными к его выходу двухконденсаторной фильтровой стойкой, а ко входу - корректором коэффициента мощности, состоящим из индуктивно-емкостного первого фильтра и трех электронных двунаправленных ключей, заземляющих вход выпрямителя, подключенный через первый фильтр к выводам стартера-генератора, первый импульсный модулятор с тремя вентильно-ключевыми стойками и фильтровым конденсатором, трансформатор с первой и второй обмотками, четыре группы распределительных шин, из которых первая - трехфазная - для подключения стартера-генератора и нагрузок переменного напряжения с нестабильными параметрами, вторая - трехфазная - для подключения нагрузок переменного напряжения со стабильными параметрами, третья и четвертая - парные - для подключения источников электропитания и нагрузок с постоянными низким и повышенным напряжениями и аналогичных шин параллельных магистральных каналов, а также блок управления с цепями обратных связей по внешним токам и напряжениям и с первой группой импульсно-модуляторных выводов, подключенных к управляющим выводам двунаправленных ключей корректора, а также ключей и вентилей первого импульсного модулятора, отличающаяся тем, что в нее введены второй импульсный модулятор, аналогичный по составу и схеме соединений первому модулятору, трансреактор с первичной и вторичной обмотками, первый и второй фильтровые конденсаторы, шунтирующие третью и четвертую парные группы распределительных шин соответственно, трехфазный обратимый выпрямительно-инверторный преобразователь в виде двух встречно-параллельных шестидиодного и шестиключевого мостов, дополненный повышающим импульсным конвертером и тремя балластными дросселями и подключенный своими выводами постоянного тока через конвертер к четвертой парной группе распределительных шин, а своими выводами переменного тока - через балластные дроссели - к первой трехфазной группе распределительных шин, а также диодно-вентильный управляемый выпрямитель и пятая трехфазная группа распределительных шин для подключения нагрузок переменного напряжения с нестабильной частотой, но стабильной амплитудой, дополненная индуктивно-емкостным вторым фильтром и подключенная через него ко входу диодно-мостового выпрямителя, и, кроме того, - трехфазный циклоконвертер, состоящий из электронных управляемых двунаправленных вентилей; при этом трансформатор снабжен двухсекционной третьей обмоткой, подключенной через управляемый выпрямитель к крайним и к заземленному среднему выводам фильтровой стойки, шунтирующей четвертую парную группу распределительных шин, а также тремя фазными обмотками, подключенными через двунаправленные вентили циклоконвертера ко второй фазной группе распределительных шин, а блок управления снабжен второй группой импульсно-модуляторных выводов, подключенных к управляющим выводам ключей и вентилей второго модулятора и ключей выпрямительно-инвертерного преобразователя, и группой релейно-сигнальных выводов, подключенных к управляющим выводам вентилей управляемого выпрямителя и циклоконвертера.

2. Автономная система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что в каждый из ее импульсных модуляторов введен буферный конденсатор, подключенный своим первым выводом через диодный вентиль и ключ третьей вентильно-ключевой стойки и через соответствующую обмотку трансреактора к среднему выводу соответствующей обмотки трансформатора, крайние выводы которой подключены к средним выводам первой и второй вентильно-ключевых стоек, параллельно соединенных между собой одноименными крайними выводами, подключенными через ключ третьей вентильно-ключевой стойки к выводам соответствующего фильтрового конденсатора, соединенного своим незаземленным выводом со вторым выводом буферного конденсатора.

3. Автономная система электроснабжения по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что повышающий импульсный конвертер выполнен состоящим из диодно-ключевой стойки, управляемого вентиля и дроссельно-конденсаторной стойки, а блок управления снабжен дополнительными импульсно-модуляторными и релейно-сигнальными выводами, подключенными соответственно к управляющему выводу ключа указанной диодно-ключевой стойки, шунтирующего своими силовыми выводами крайние выводы дроссельно-конденсаторной стойки, и к управляющему выводу указанного управляемого вентиля, включенного своими силовыми выводами между крайним диодным выводом диодно-ключевой стойки и средним выводом дроссельно-конденсаторной стойки.

4. Автономная система электроснабжения по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в каждом из ее импульсных модуляторов ключи первой и третьей диодно-ключевых стоек снабжены каждый демпферно-снабберной цепочкой, состоящей из демпферного дросселя, включенного последовательно с этим ключом, снабберного конденсатора и зарядно-разрядной двухдиодной стойки, подключенной своим средним выводом через снабберный конденсатор к первому силовому выводу этого ключа, своим первым крайним выводом - ко второму силовому выводу этого ключа, а своим вторым крайним выводом - к силовым выводам ключей третьей и второй диодно-ключевых стоек соответственно.

5. Автономная система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введены внешние выводы для подключения регулируемого исполнительного электропривода с рекуперативным торможением и три трехфазные группы управляемых контакторов, первая из которых включена между указанными внешними выводами и выводами переменного тока выпрямительно-инверторного преобразователя, вторая - между ними же и первой фазной группой распределительных шин, а третья - между последней и выводами стартера-генератора, а блок управления снабжен командными выводами, подключенными к управляющим выводам контакторов.

6. Автономная система электроснабжения по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в каждый из импульсных модуляторов введен импульсный уравнительный делитель напряжений, состоящий из двухсекционного уравнительного реактора, со средним выводом, соединенным с общими выводами фильтрового и буферного конденсаторов, и двух однонаправленных диодно-ключевых стоек, параллельно соединенных между собой разноименными крайними выводами по схеме косого выпрямительного моста, подключенного своими диагональными выводами постоянного тока к крайним выводам уравнительного реактора, а своими диагональными выводами переменного тока - к крайним выводам двухконденсаторной стойки, образуемой фильтровым и буферным конденсаторами, а блок управления снабжен вспомогательными импульсно-модуляторными выводами, подключенными к управляющим выводам ключей уравнительных делителей напряжений.

Images