RU2701169C9

RU2701169C9 - Small-size dc generating system

Info

Publication number: RU2701169C9
Application number: RU2018130420A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Владимирович Ишутинов; Андрей Александрович Савин; Денис Сергеевич Кузнецов
Original assignee: Акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ"
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2019-12-18
Also published as: RU2701169C1

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used in creation of systems for generation of direct current with variable frequency of rotation, with high requirements for weight and dimensions, containing a voltage uncontrolled synchronous generator with permanent magnets. Small-sized DC current generation system (1) comprises high-frequency synchronous generator unregulated by voltage with excitation from permanent magnets with rectifier (2) and control n-units (3), number of control units corresponds to the required number of galvanically isolated outputs of the generation system. Each of n control units includes pulse voltage limiter (4), constant voltage converter (5), output filter (6) and terminals (7), on which the specified voltage is formed on galvanically isolated n-outputs of the system.

EFFECT: reduced weight and overall dimensions of the generation system provided control and maintenance of constant voltage of the specified level and quality at the output of the system with galvanically isolated n-outputs at change of synchronous generator rotation frequency.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам генерирования постоянного тока и может быть использовано при создании систем генерирования постоянного тока с переменной частотой вращения, с высокими требованиями к массе и габаритам, содержащих нерегулируемый по напряжению синхронный генератор с постоянными магнитами.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to direct current generation systems and can be used to create direct current generation systems with a variable speed, with high requirements for mass and dimensions, containing a voltage-controlled synchronous generator with permanent magnets.

Известна система генерирования постоянного тока, содержащая индукторный генератор с неподвижной обмоткой возбуждения, которая питается неподвижной обмоткой возбуждения или магнитодвижущей силой постоянных магнитов. При этом поток в воздушном зазоре имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная не индуцирует ЭДС, а лишь дополнительно загружает магнитопровод и требует увеличения массы по сравнению с обычными синхронными машинами и в особенности с синхронными машинами с постоянными магнитами. Также постоянная составляющая создает дополнительные потери, ухудшая энергетические показатели. Регулирование напряжения на выходе системы генерирования с индукторным генератором осуществляется за счет регулирования потока обмотки возбуждения (Электрооборудование летательных аппаратов, под редакциейA known system for generating direct current containing an induction generator with a fixed field winding, which is powered by a fixed field winding or magnetomotive force of permanent magnets. In this case, the flow in the air gap has constant and variable components. The constant does not induce EMF, but only additionally loads the magnetic circuit and requires an increase in mass compared to conventional synchronous machines and especially with synchronous machines with permanent magnets. Also, the constant component creates additional losses, worsening energy performance. The voltage regulation at the output of the generating system with an inductor generator is carried out by regulating the flow of the field winding (Electrical Aircraft, edited

Грузкова С.А., Москва, издательство МЭИ - 2005 г., том 1, 175 с.).Gruzkova S.A., Moscow, MPEI publishing house - 2005, volume 1, 175 p.).

Недостатком являются низкие массогабаритные и энергетические показатели.The disadvantage is the low weight and energy indicators.

Известна система генерирования постоянного тока, состоящая из одного вентильного генератора с несколькими трехфазными обмотками, каждая из которых работает на свой мостовой выпрямитель. Суммируя напряжение каждого выпрямителя путем замыкания определенных контакторов. Плавное регулирование напряжения обеспечивается управляемыми проводниковыми ключами (KZ 27094 А4, опубл. 14.06.2013).A known system for generating direct current, consisting of one valve generator with several three-phase windings, each of which operates on its own bridge rectifier. Summing the voltage of each rectifier by closing certain contactors. Smooth voltage regulation is provided by controlled conductive switches (KZ 27094 A4, publ. 06/14/2013).

Недостатком является то, что якорь многообмоточной машины гораздо сложнее и габаритнее однообмоточной. К тому же каждая обмотка включена на свой мостовой выпрямитель, а управляемые ключи требуют наличие системы управления и формирования ШИМ-сигналов отпирания. Эти факторы значительно повышают массу и габариты системы генерирования, а введение большого количества элементов для поддержания заданного напряжения при любых частотах вращения снижает надежность и повышает стоимость.The disadvantage is that the anchor of a multi-winding machine is much more complex and larger than a single-winding machine. In addition, each winding is connected to its bridge rectifier, and managed keys require a control system and the formation of PWM unlock signals. These factors significantly increase the weight and dimensions of the generation system, and the introduction of a large number of elements to maintain a given voltage at any rotation speed reduces reliability and increases cost.

Известна система генерирования постоянного тока, содержащая нерегулируемый по напряжению источник питания, импульсный преобразователь, состоящий из входного фильтра, прерывателя и выходного фильтра (Л.В. Бирзниекс, Импульсные преобразователи постоянного тока, Москва, «ЭНЕРГИЯ», 1974 г., с. 10, рис. 1-1).A known system for generating direct current containing a voltage-uncontrolled power supply, a pulse converter, consisting of an input filter, a chopper and an output filter (L.V. Birznieks, Switching DC-DC converters, Moscow, "ENERGY", 1974, p. 10 , fig. 1-1).

Недостатком является то, что при изменении частоты вращения генератора в широком диапазоне (при разгоне), коэффициент полезного действия и эффективность входного фильтра, который увеличивает общую массу и габариты системы, резко снижаются, к тому же отсутствует защита от импульсных напряжений.The disadvantage is that when the generator rotational speed changes over a wide range (during acceleration), the efficiency and efficiency of the input filter, which increases the total mass and dimensions of the system, sharply decrease, and there is no protection against impulse voltages.

Прототипом является известная система генерирования постоянного тока, содержащая синхронный генератор с постоянными магнитами и выпрямитель (В.А. Балагуров, Проектирование специальных электрических машин переменного тока, Москва, Высшая школа, 1982 г., 115 с.). Магнитный поток создается постоянными магнитами, расположенными на вращающемся роторе. Этот магнитный поток индуктирует в неподвижной обмотке статора переменные ЭДС, которые в свою очередь создают в обмотке статора, и на выводах генератора, переменные токи. Генератор работает на звено постоянного тока (выпрямитель) для преобразования переменного напряжения в постоянное. За счет использования постоянных магнитов данная машина имеет высокие энергетические и массогабаритные показатели.The prototype is a well-known direct current generation system containing a synchronous generator with permanent magnets and a rectifier (V.A. Balagurov, Designing of special electric alternating current machines, Moscow, Higher School, 1982, 115 pp.). Magnetic flux is created by permanent magnets located on a rotating rotor. This magnetic flux induces EMF variables in the stationary stator winding, which in turn create alternating currents in the stator winding, and on the generator terminals. The generator operates on a DC link (rectifier) to convert AC voltage to DC. Due to the use of permanent magnets, this machine has high energy and weight and size characteristics.

Недостаток прототипа - отсутствует возможность регулирования и поддержания заданного уровня и качества постоянного напряжения на выходе при изменении частоты вращения синхронного генератора.The disadvantage of the prototype is that it is not possible to regulate and maintain a given level and quality of constant voltage at the output when the speed of the synchronous generator changes.

Техническая задача: снижение массы и габаритов системы генерирования при условии обеспечения регулирования и поддержания постоянного напряжения заданного уровня и качества на выходе системы с гальванически развязанными n-выходами при изменении частоты вращения синхронного генератора.Technical task: reducing the mass and dimensions of the generation system, provided that the voltage is regulated and maintained at a given level and quality at the output of the system with galvanically isolated n-outputs when the speed of the synchronous generator is changed.

Технический результат достигается тем, что малогабаритная система генерирования постоянного тока, содержащая нерегулируемый по напряжению высокоскоростной синхронный генератор с постоянными магнитами, выпрямитель и блок регулирования, причем блок регулирования содержит импульсный ограничитель напряжения, преобразователь постоянного напряжения, выходной фильтр, формирует на гальванически развязанных n-выходах системы генерирования напряжение заданного уровня и качества.The technical result is achieved in that a small-sized system for generating direct current, comprising an unregulated voltage high-speed synchronous generator with permanent magnets, a rectifier and a control unit, and the control unit contains a pulse voltage limiter, a DC-voltage converter, an output filter, forms on galvanically isolated n-outputs voltage generation systems of a given level and quality.

На фигуре показана принципиальная схема системы генерирования.The figure shows a schematic diagram of a generation system.

Малогабаритная система генерирования постоянного тока 1 содержит нерегулируемый по напряжению высокоскоростной синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов с выпрямителем 2 и n-блоков регулирования 3, количество блоков регулирования соответствует необходимому количеству гальванически развязанных выходов системы генерирования. В каждый из n-блоков регулирования входит импульсный ограничитель напряжения 4, преобразователь постоянного напряжения 5, выходной фильтр 6, и клеммы 7, на которых формируется заданное напряжение на гальванически развязанных n-выходах системы.The small-sized system for generating direct current 1 contains a voltage-unregulated high-speed synchronous generator with excitation from permanent magnets with a rectifier 2 and n-control units 3, the number of control units corresponds to the required number of galvanically isolated outputs of the generating system. Each of the n-control units includes a pulse voltage limiter 4, a DC-voltage converter 5, an output filter 6, and terminals 7, on which a predetermined voltage is generated at the galvanically isolated n-outputs of the system.

Синхронный генератор с выпрямителем и блок регулирования, составляющие систему генерирования, соединены жгутом. При этом блок регулирования представляет собой сборочную единицу, в состав которой, как один из сборочных элементов, входит преобразователь постоянного напряжения.A synchronous generator with a rectifier and a control unit that make up the generation system are connected by a harness. Moreover, the control unit is an assembly unit, which, as one of the assembly elements, includes a DC-voltage converter.

Работает малогабаритная система генерирования постоянного тока следующим образом. Нерегулируемое напряжение постоянного тока создается на выходе выпрямителя высокоскоростного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, имеющего высокие массогабаритные и энергетические показатели. Высокая частота вращения генератора обеспечивает высокую частоту пульсаций выпрямленного напряжения. Следовательно, появляется возможность ограничиться одной трехфазной якорной обмоткой, одним неуправляемым мостовым выпрямителем и исключить электрический фильтр на выходе выпрямителя, что позволяет значительно снизить массу, габариты и стоимость, повысить надежность системы в целом при незначительном снижении постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Напряжение постоянного тока с выпрямителя синхронного генератора подается непосредственно на вход преобразователя постоянного напряжения, который осуществляет регулирование и поддержание напряжения заданного уровня с высокой точностью по средствам ШИМ-регулирования. Между выпрямителем и преобразователем параллельно включен импульсный ограничитель напряжения для исключения попадания импульсов высокого напряжения на вход преобразователя, возникающих при резком изменении частоты вращения синхронного генератора. Для фильтрации высших гармоник в выходном напряжении системы генерирования используется электрический фильтр. Количество блоков регулирования, каждый из которых содержит импульсный ограничитель напряжения, преобразователь постоянного напряжения и выходной фильтр, соответствует необходимому количеству гальванически развязанных выходов.A small-sized system for generating direct current operates as follows. An unregulated DC voltage is generated at the output of a rectifier of a high-speed synchronous generator with excitation from permanent magnets, which has high overall dimensions and energy indicators. A high generator speed provides a high ripple voltage for the rectified voltage. Therefore, it becomes possible to limit oneself to one three-phase anchor winding, one uncontrolled bridge rectifier and exclude the electric filter at the output of the rectifier, which can significantly reduce weight, dimensions and cost, increase the reliability of the whole system with a slight decrease in the DC component of the rectified voltage. The DC voltage from the rectifier of the synchronous generator is supplied directly to the input of the DC voltage converter, which regulates and maintains the voltage of a given level with high accuracy by means of PWM regulation. A pulse voltage limiter is connected in parallel between the rectifier and the converter to prevent high voltage pulses from entering the converter input, which occur when a sharp change in the speed of the synchronous generator. An electric filter is used to filter the higher harmonics in the output voltage of the generation system. The number of control units, each of which contains a pulse voltage limiter, a DC voltage converter and an output filter, corresponds to the required number of galvanically isolated outputs.

Таким образом, технический результат достигнут: снижаются масса и габариты при условии обеспечении регулирования и поддержания постоянного напряжения заданного уровня и качества на выходе системы с гальванически развязанными n-выходами при изменении частоты вращения синхронного генератора.Thus, the technical result is achieved: the weight and dimensions are reduced, provided that the voltage is regulated and maintained at a given level and quality at the output of the system with galvanically isolated n-outputs when the speed of the synchronous generator is changed.

Claims

A small-sized DC-current generating system comprising a voltage-uncontrolled high-speed synchronous generator with permanent magnets, a rectifier and a control unit, characterized in that the control unit contains a pulse voltage limiter connected in parallel between the rectifier and the DC-voltage converter, preventing high voltage pulses from entering the converter input high voltage, DC / DC converter, filter output filter higher harmonics in the output voltage of the control system and generates a voltage of a given level and quality on a galvanically isolated n-outputs of the generating system.