Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты

Название	Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты
Разработчик (Авторы)	Мыцык Геннадий Сергеевич, Мье Мин Тант
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2806899
Дата регистрации	08.11.2023
Правообладатель	федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Область применения (класс МПК)	H02P 9/02 (2006.01) H02P 9/30 (2006.01) H02M 5/297 (2006.01)

Описание изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится, прежде всего, к области авиационной электротехники и может быть использовано при построении систем типа ПСПЧ (переменная скорость – постоянная частота), а также на других подвижных объектах и в малой энергетике (конкретно – в ветроэнергетике).

Уровень техники

В принципе на сегодня уже известно несколько вариантов машинно-электронных генерирующих систем такого класса, обозначаемых в последнее время как МЭГС-2. Один из её вариантов представлен на рис.7, стр. 29 журнала «Электричество», 2020, №7. Это решение МЭГС-2 содержит электрический генератор – ЭГ (в принципе любого типа (кроме генераторов постоянного тока) и два четырёхквадрантных преобразователя – ЧКП-1 со своим блоком управления (БУ-1), а также ЧКП-2 тоже со своим блоком управления (БУ-2). Первый из них (ЧКП-1) подключён к якорной обмотке ЭГ и работает в режиме активного выпрямителя, а второй (ЧКП-2) подключён к выходу ЧКП-1 и работает в инверторном режиме. Каждый из ЧКП выполнен на базе трёхфазной мостовой инверторной схемы (на 6 ключевых элементах – КЭ).

Недостатками настоящего технического решения являются завышенные массогабаритные показатели из-за низкого значения коэффициента использования напряжения ЭГ (0,5 вместо 1), не удовлетворительная работа на не симметричную нагрузку из-за появляющихся чрезмерных амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения, ограничения по мощности (в частности, по напряжению), которые обусловлены ограниченными возможностями реально располагаемой элементной базы (транзисторов), достаточная сложность практической реализации БУ-1.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является решение МЭГС-2, приведённое, например, на рис.4, стр.289 в книге «Труды научно-технической конференции «Электрификация летательных аппаратов» [Текст]/ – М.: Академия Жуковского. – 2016. – 332 с. Оно содержит электрический генератор (ЭГ) с тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), соединёнными по схеме 9-фазная «звезда» (с нулевой точкой), три трёхфазных выпрямительных моста (ТВМ), выходы которых через два трёхобмоточных трансфильтра (ТФ-3) подключены к обкладкам буферного конденсатора, и трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с блоком управления (БУ), причём шины питания ТИН подключены к обкладкам буферного конденсатора, а входы каждого из трёх ТВМ подключены к одной из трёх ТЯО

Недостатками настоящего технического решения являются завышенные массогабаритные показатели из-за низкого значения коэффициента использования напряжения ЭГ (0,5 вместо 1), не удовлетворительная работа на не симметричную нагрузку из-за появляющихся чрезмерных амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения, ограничения по мощности (в частности, по напряжению), которые обусловлены ограниченными возможностями реально располагаемой элементной базы (транзисторов).

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования напряжения ЭГ (в 2 раза).

Технический результат заключается в улучшении показателей качества МЭГС-2, а именно: улучшении массогабаритных показателей ЭГ и МЭГС-2 в целом; расширении области применения по мощности (согласно изобретению) при использовании реальных, ограниченных по рабочему напряжению транзисторов в ТИН; исключении амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения при не симметричной нагрузке; улучшении качества выходного напряжения и снижении за счёт этого массы выходных фильтров, в том числе, за счёт использования более эффективного алгоритма формирования выходного напряжения.

Это достигается тем, что в известной машинно-электронной генерирующей системе (МЭГС-2), содержащей электрический генератор (ЭГ) с индуктором и тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), узел стабилизации напряжения (УСНj), включающий в себя, по крайней мере, один управляемый ключевой элемент (УКЭj) и узел формирования управляющих сигналов (ФСУj), содержащий в себе источник питания внутренних нужд (ИПВН) и выполненный с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 (для его стабилизации при реальных возмущающих воздействиях), трёхканальный выпрямительный блок (3-ВБ) в виде трёх трёхфазных выпрямительных мостов (ТВМ), а также трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с выходным фильтром (ВФ) и с блоком управления (БУИ), выполненным с возможностью реализации заданных алгоритмов управления ключами ТИН и с узлом регулирования его фазных напряжений (УРФН), причём входы каждого из трёх ТВМ 3-ВБ подключены к одной из трёх ТЯО, а выходы ТВМ предназначены для подключения их к шинам питания ТИН, по крайней мере, с одним буферным конденсатором, включённым между ними, три ТЯО выполнены гальванически развязанными, причём каждая с топологией «звезда», ТИН выполнен на основе трёх однофазных мостовых инверторов (ОМИj), шины питания каждого из которых совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором предназначены для подсоединения их к выходу одного из трёх ТВМ 3-ВБ, один выходной вывод в каждом из ОМИ образует начало одной из трёх фаз МЭГС-2, обозначаемое, соответственно, как «А», «В», «С», а другие выходные выводы (концы) в каждом из ОМИj, обозначаемые для трёх фаз соответственно, как «Х», «Y», «Z» , объединены между собой и образуют нулевой вывод трёхфазной системы «0».

ФСУj содержит последовательно включённые, по крайней мере, один модулятор ширины импульсов (МШИj) и контур отрицательной обратной связи (КООС), причём вход КООС предназначен для подключения его к выходным выводам МЭГС-2, а j-ый выход МШИ j – к управляющему входу j-го УКЭ j.

Индуктор ЭГ может быть выполнен с использованием обмотки возбуждения (ОВ), подключённой к выходу УСН1 (где индекс j=1), который содержит управляемый ключевой элемент – УКЭj (где j=1), своими силовыми выводами последовательно соединён с источником питания внутренних нужд (ИПВН1) и с ОВ индуктора таким образом, что они вместе образует замкнутую цепь, причём управляющий вход УКЭ1 подключён к выходу МШИ1 ФСУ1, а шины питания каждого из трёх ОМИj совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором подсоединены к выходу одного из трёх ТВМ непосредственно.

Индуктор ЭГ может быть выполнен с использованием постоянных магнитов, а 3-ВБ выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 и стабилизации его с помощью УСНj. При этом УСНj содержит три УКЭj(3) (где j =1, 2, 3) и три МШИj(3), причём каждый из УКЭj подключён между выходными выводами одного из трёх ТВМ 3-ВБ, управляющий вход каждого из УКЭj(3) подключён к выходу одного из трёх 3-МШИj(3), который выполнен трёхканальным (3-МШИj(3)) и обеспечивающим переключение трёх УКЭj с тактовой частотой fт>>fэг (где fэг – частота напряжения ЭГ), с регулируемой скважностью S и реализующим фазовый сдвиг между тремя последовательностями выходных импульсов 3-МШИ, сдвинутыми между собой на тактовой частоте fт на угол 2π/3, управляющие входы 3-МШИj(3) объединены и образуют общий управляющий вход, выполненный с возможностью подключения к выходу КООС, а каждый из трёх индивидуальных буферных конденсаторов, включённый между шинами питания одного из ОМИ, одной своей обкладкой подключён к соответствующему выходному выводу одного из ТВМ через разделительный диод.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вариант принципиальной электрической схемы МЭГС-2, выполненной на основе ЭГ с электромагнитным возбуждением – ЭМВ (в простейшем контактном варианте); на фиг. 2 показан вариант ЭГ с возбуждением от постоянных магнитов; на фиг. 3 и фиг. 4 приведены: вариант реализации БУ-1j для МЭГС-2 по фиг.2 и соответственно временные диаграммы, поясняющие принцип формирования алгоритмов управления УКЭj узла стабилизации выходного напряжения (УСНj) трёх выпрямительных мостов (ТВМj); на фиг. 5 представлены осциллограммы токов в трёх каналах одной фазы 3-ЭГ (а, б, в), также результирующий ток этой фазы, определяющий его реакцию якоря (и, в конечном счёте, массу ЭГ); на фиг. 6 показаны осциллограммы рабочих процессов (выходных напряжений МЭГС-2 до фильтра и после фильтра и тока нагрузки), иллюстрирующие эффективность увеличения числа каналов преобразования (М) энергетического потока для снижения массы выходных фильтров.

Осуществление изобретения

МЭГС-2 по фиг. 1 содержит электрический генератор (ЭГ) с электромагнитным возбуждением (3-ЭГ-ЭМВ) 1, который включает в себя индуктор 1.11 и три трёхфазные якорные обмотки (ТЯО) 1.2, 1.3, 1.4. В данном примере индуктор 1.11 выполнен с обмоткой возбуждения (ОВ), которая зашунтирована обратным диодом 1.5, и подключена к контактным кольцам 1.6, выполненным с возможностью подведения к ОВ мощности возбуждения. Такой контактный вариант возбуждения принят здесь для упрощения изложения существа изобретения. Реально же могут использоваться и бесконтактные варианты исполнения возбуждения ЭГ (один из которых – наиболее простой, приведён на фиг. 2). К трём ТЯО (1.2, 1.3, 1.4) подключены входы трёхканального выпрямительного блока (3-ВБ), каждый канал которого 2, 3, 4 включает в себя 3-фазный выпрямительный мост (ТВМ) 2.1, 3.1, 4.1 и буферный (накопительный) конденсатор на его выходе – 2.2, 3.2, 4.2 соответственно. К обкладкам этих буферных конденсаторов подключены шины питания трёх однофазных мостовых инверторов напряжения (ОМИj) 5, 6, 7, которые образуют структуру 3-фазного инвертора напряжения ТИН-3ОМИ . На выходе каждого ОМИj установлен Г образный LC фильтр в виде дросселя переменного тока L и конденсатора С (5.1, 6.1, 7.1 и 5.2, 6.2, 7.2 соответственно). Одни обкладки конденсаторов 5.2, 6.2, 7.2 подключены к выходным фазным выводам «А», «В», «С», а другие их обкладки объединены и образуют нулевой выходной вывод «0» системы генерирования МЭГС-2.

Управление ключевыми элементами (УКЭj) ОМИj 5, 6, 7 обеспечено блоком управления (БУИ) 8, своими выходами подключенным к управляющим входам КЭ ОМИ 5, 6, 7.

Силовые выводы управляемого ключевого элемента УКЭ1 9 включёны последовательно в цепи «обмотка возбуждения (ОВ) индуктора 1.11 – УКЭ1 – источник питания внутренних нужд (ИПВН1) – 101.1». Управляющий вход УКЭ1 9 подключён к выходу модулятора ширины импульсов (МШИ1) 101.2, который также соединен с ИПВН1 101.1. Вход МШИ1 101.2 подключён к выходу контура отрицательной обратной связи (КООС1) 101.3, вход которого (через датчики напряжения, которые входят в КООС1 и на фиг.1 не показаны) подключён к выходу МЭГС-2. КООС1 101.3 обеспечивает соответствующее изменение скважности переключения УКЭ1 9 (на тактовой частоте fт>> f2) для стабилизации выходного напряжения МЭГС-2 при возмущающих воздействиях (по частоте вращения приводного вала и по току нагрузки). ИПВН1 101.1 выполнен с возможностью получения электропитания от одной из ТЯО 3-ЭГ-ЭМВ. Совокупность узлов 101.1, 101.2, 101.3 составляет формирователь сигналов управления (ФСУj(1)) 101. В 1-ом варианте МЭГС-2 (индекс j, обозначает число используемых УКЭ, и в варианте МЭГС-2 по фиг. 1 он равен 1, а в варианте по фиг. 2 j=1, 2 , 3).

На фиг. 2 представлен бесконтактный вариант МЭГС-2, индуктор 1.12 ЭГ у которого выполнен на основе постоянных магнитов. Поскольку мощность возбуждения здесь регулироваться не может, функция стабилизации выходного напряжения МЭГС-2 выполняется за счёт придания ТВМ 2.1, 3.1, 4.1 (иначе – буферным конденсаторам 2.2, 3.2, 4.2) свойств регулирования их выходного напряжения. Это обеспечено введением в каждый из выпрямительных блоков (ВБj) 2, 3, 4 дополнительных элементов – трёх УКЭj (2.3, 3.3, 4.3) и трёх разделительных диодов (2.4, 3.4, 4.4). При этом силовые выводы каждого из этих УКЭj подключены между выходными выводами постоянного тока одного из ТВМ 2.1, 3.1, 4.1. А каждый из трёх разделительных диодов (2.4, 3.4, 4.4) включён между обкладкой одного из буферных конденсаторов (2.2, 3.2, 4.2) и соответствующим выходным выводом ТВМ постоянного тока, например, верхняя обкладка конденсатора 2.2 через разделительный диод 2.4 подключена к положительному выводу ТВМ 2.1. Введение этих элементов обеспечивает выпрямительным блокам (ВБj) 2, 3, 4 новые свойства – помимо выполнения ими функции регулирования напряжения, они обеспечивают нулевой фазовый сдвиг основных гармоник фазных токов в ТЯОj 1.2, 1.3, 1.4 ЭГ 1 относительно фазных напряжений, что обеспечивает снижение размагничивающего действия реакции ТЯОj 1.2, 1.3, 1.4 (её размагничивающей силы) на постоянные магниты индуктора 1.12, способствуя тем самым снижению их массы. Выполнение таким образом ВБj 2, 3, 4 придаёт ему свойства трёхканального ВБ с корректором его входного коэффициента мощности (фиг. 2). Для уменьшения искажений в результирующем токе реакции ТЯОj (1.2, 1.3, 1.4) ФСУj выполнен с возможностью обеспечения последовательного фазового сдвига между алгоритмами переключения УКЭj 2.3, 3.3, 4.3 на угол 2π/3 (см. фиг. 3, 4, 5). Пример формы фазного тока (для фазы «А») в трёх каналах приведён на фиг. 5. Индексом j здесь по-прежнему обозначается номер УКЭj , который здесь равен j =1, 2, 3. Кроме этого, индекс этот в обоих вариантах МЭГС-2 одновременно используется и для обозначения числа фаз ТИН-3ОМИ (и соответственно числа каналов преобразования энергии).

Принцип построения формирователя сигналов управления (ФСУj(3)) для управления УКЭ j(3) 2.2, 3.2, 4.2 УСН j(3) иллюстрируется упрощённой блок-схемой на фиг. 3, а принцип его работы – временными диаграммами на фиг. 4. Он содержит генератор импульсов (ГИ) 103.1.1 частоты 3fт; распределитель импульсов (РИ) – 103.1.2 с выходными сигналами pj (в форме коротких импульсов тактовой частоты fт), сдвинутыми между собой по фазе на угол δ=2π/М (в примере на фиг. 4 М=3); блок из М числа генераторов пилообразного напряжения (ГПНj) – 103.1.3; блок из М числа компараторов (Кj) – 103.1.4, каждый с тактовым и управляющим входами; и блок драйверов (Дj) – 11j (где j =2, 3,… М – число каналов). Взаимосвязи между этими узлами ФСУj(3) следующие: вход РИ 103.1.2 подключён к выходу генератора импульсов 103.1.1; выходы РИ 103.1.2 подключены к соответствующим входам ГПНj 103.1.3, выходы которых подсоединены к тактовым входам соответствующих компараторов 103.1.4, а выходы последних подключены ко входам соответствующих драйверов 11j. Управляющие входы М=3 компараторов 11j при симметричной трёхфазной нагрузке МЭГС- 2 объединены и подключены к выходу одноканального КООС1, а при не симметричной трёхфазной нагрузке МЭГС- 2 управляющий вход каждого j-го компаратора (Кj) подключён к выходу j-го (индивидуального) КООСj(3), а вход каждого из них подключён к выходным выводам одной из фаз МЭГС-2. Выходы драйверов Дj подключены к управляющим входам УКЭj 2.3, 3.3, 4.3

Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты работает следующим образом.

Функциональной особенностью МЭГС-2 авиационного применения является достаточно большая кратность изменения частоты вращения приводного вала (ВПВ), определяемая отношением Kn =ωmax/ωmin ≈2÷2,5, где ωmax и ωmin – максимальное и минимальное значение частоты ВПВ. При этом МЭГС-2 должен выдавать заданную мощность в этом диапазоне с требуемыми значениями выходных напряжений U2(1)j (по 1-ой гармонике) и частоты f2.

В первом варианте МЭГС-2 по фиг.1 при минимальной частоте ВПВ ток возбуждения в ОВ индуктора 1.11 имеет максимальное значение. Для этого значение скважности работы S УКЭ1 9 ФСУj(1) 101 задаёт минимальным, т.е. близким к S =1. При этом напряжение на ТЯО 1.2, 1.3, 1.4 ЭГ 1 имеет такое значение, которое обеспечивает заряд буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2 до номинального значения напряжения на них, обеспечивающее номинальное значение выходного напряжения ТИН-3ОМИ.

БУИ 8 выполнен формирующим алгоритмы переключения ключей ОМИj, которые обеспечивают форму их выходного напряжения с однополярной ШИМ (ОШИМ) – фиг.6а.

Для обеспечения начального возбуждения (самовозбуждения) МЭГС-2 может использоваться: а) или кратковременное подключение ОВ индуктора 1.11 к аккумуляторной батарее, б) или в индукторе может устанавливаться постоянный магнит небольшой мощности.

В авиационном трёхмашинном варианте исполнения ЭГ, например, в ГТ60ПЧ6А, такая доработка (до самовозбуждения) не требуется, так как эта функция в нём уже заложена.

Во втором варианте МЭГС-2 по фиг. 2, поскольку постоянные магниты индуктора 1.12 создают магнитный поток, не зависящий от частоты ВПВ, напряжение на выходе ТВМ 2.1, 2.2, 2.3 будет изменяться (в 2÷2,5 раза) пропорционально изменению частоты ВПВ. Для его стабилизации блок 3-ВБ снабжён узлом стабилизации напряжения (УСН j), и он (3-ВБ –УСНj) становится регулируемым. Стратегия регулирования в нём напряжения следующая: при максимальной частоте ВПВ ωmax УКЭj (2.3, 3.3, 4.3) выключены. При этом 3-ВМЭГ рассчитан таким образом, что при отсутствии нагрузки (т.е. на холостом ходу) выходное напряжение ТИН-3ОИН (должно быть) несколько больше (на 5÷10%) номинального значения напряжения МЭГС-2 – U2ном. При подключении номинальной нагрузки напряжение МЭГС-2 будет понижаться (на 5÷10%), а его стабилизация осуществляется двумя способами – как в 3-ВБ-УСН j (посредством его ФСУj(3) 103), так и в ТИН-3ОИН (посредством его БУИ 8). В самом тяжёлом режиме – при полной нагрузке и частоте ВПВ ωmin режим стабилизации напряжения на уровне U2ном выполняет ФСУj(3) 103 (в составе УСН j(3), фиг. 2).

При не симметричной 3-фазной нагрузке функцию пофазного регулирования выходного напряжения МЭГС-2 выполняет БУИ 8 с КООС3 103.3.

Алгоритмы переключения УКЭj 2.3, 3.3, 4.3 ВБ 2, 3, 4, отличаются между собой лишь их фазовым сдвигом на угол 2π/3 (см. фиг. 4, фиг. 5, см. пунктир). Переключение этих УКЭj (с тактовой частотой fт и с регулируемой скважностью s=2π/θ, где θ – длительность включённого (проводящего) состояния УКЭj) реализует ФСУj 103 (фиг. 2). Его логика работы следующая: при понижении выходного напряжения МЭГС-2 КООС3 103.3 совместно с МШИ3 103.2 увеличивают значения угла θ (фиг. 3, фиг. 4) и соответственно увеличивают значения скважности s. В момент замкнутого (проводящего) состояния УКЭj (2.3, 3.3, 4.3) ТЯО 1.2, 1.3, 1.4 ВМЭГ попадают в режим короткого замыкания, и ток в них начинает нарастать. Поскольку каждая ТЯО имеет свою индуктивность Lяо (включая индуктивность рассеяния), то к моменту выключения УКЭj в них накапливается энергия WL=1/2(, где – значение тока в момент коммутации. После выключения каждого УКЭj накопленная в ТЯО энергия через диоды ВМ 2.1, 3.1, 4.1 и через разделительные диоды 2.4, 3.4, 4.4 передаётся в буферные конденсаторы 2.2, 3.2, 4.2. В результате работы блока УСНj(3) напряжение на этих буферных конденсаторах стабилизируется во всём диапазоне изменения частоты ВПВ. Далее напряжение (постоянного тока) на каждом из этих конденсаторов инвертируется с помощью инверторных блоков ОМИj 5, 6, 7 в 3-фазное переменное напряжение квазисинусоидальной формы – u2j(t), где j – фазовый индекс, и фильтруется Г образными фильтрами (фиг. 6а).

В данном варианте МЭГС-2 (по фиг.2) дополнительно к возможности регулирования его выходного напряжения в ТИН-3ОМИ появляется ещё одна такая возможность – за счёт регулирования (с помощью ФСУj(3)) зарядного тока буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2 путём изменения скважности работы УКЭj 2.2, 3.2, 4.2 в 3-ВБ-УСН j(3).

Таким образом, в первом варианте МЭГС-2 по фиг.1 стабилизация её выходного напряжения осуществляется соответствующим (автоматическим) изменением тока возбуждения в ОВ индуктора 1.11. В результате однозначно изменяется и выходное напряжение МЭГС-2 (в направлении его стабилизации). Это обеспечивается УСН1, включающим в себя один УКЭ1 9, одноканальные ИПВН 101.1. МШИ1 101.2, и КООС1 101.3.

Во втором варианте МЭГС-2 по фиг. 2 стабилизация её выходного напряжения осуществляется с помощью УСНj(3) соответствующим (автоматическим) изменением зарядного тока буферных конденсаторов 2.2, 3.2, 4.2. В результате напряжение на этих конденсаторах соответствующим образом (автоматически) изменяется, однозначно изменяется (в направлении стабилизации) и выходное напряжение МЭГС-2. Эта задача решается УСНj(3) включающим в себя три УКЭj(3) – 2.3, 3.3, 4.3 трёхканальный МШИ3 103.2, КООС3 103.3 и ИПВН3 103.1.

Логика работы ФСУj(3) 103 (фиг. 2, фиг. 3) поясняется временными диаграммами на фиг. 4, на которых показаны: uги – импульсная последовательность узких импульсов частоты 3fт на выходе генератора импульсов (ГИ) 103.1.1; р1, р2, р3 – три последовательности узких импульсов тактовой частоты fт на выходе распределителя импульсов (РИ) 103.1.2, последовательно сдвинутые между собой на угол 2π/3; uгпн1, uгпн2, uгпн3 – три развёртывающих напряжения пилообразной формы частоты fт, последовательно сдвинутые между собой на угол 2π/3 на выходе генераторов развёртывающего напряжения (ГПН) 103.1.3 ; uу – сигнал, поступающий от КООС3 103.3 (фиг. 2) на управляющие входы блока компараторов К1, К2, К3 103.1.4. После сравнения в блоке компараторов 103.1.4 развёртывающих напряжений uгпн1, uгпн2, uгпн3 с сигналом управления uу на их выходах формируются сигналы S1, S2, S3 , которые через блок драйверов (Д1 Д2, Д3) 11 подаются на управляющие входы УКЭ 2.3, 3.3, 4.3 3-ВБ-УСН (на фиг. 2).

Долевое участие блоков 3-ВБ-УСН (с ФСУj(3)) и ТИН-3ОИН (с БУИ) в регулировании напряжения при возмущающих воздействиях (ВВ) по частоте и по току нагрузки производится из соображений минимизации массы выходного фильтра ТИН-3ОИН. Чем больше кратность изменения частоты вращения приводного вала (ВПВ), а также и кратность изменения тока нагрузки, тем большая часть диапазона регулирования напряжения должна принадлежать 3-ВБ-УСНj. На ТИН-3ОИН возлагается лишь незначительная часть диапазона (например, не более ±5÷10% от номинального значения напряжения МЭГС-2). В принципе наиболее рациональная стратегия регулирования напряжения (с целью его стабилизации) определяется в каждом отдельном случае применения.

В простейшем одноканальном варианте исполнения ОМИ для формирования напряжений u2j(t) используется алгоритм однополярной ШИМ (ОШИМ) по синусоидальному закону (фиг. 6а). При повышенных мощностях преобразования целесообразно использовать ОМИ в М канальном исполнении – ОИН-М. С ростом значения числа М искажения выходного напряжения резко снижаются. В результате, например, при М=3 (фиг.6 б, в) масса LC фильтра, характеризуемая произведением LC, уменьшается в 15 раз относительного одноканального варианта (при М=1) – см. фиг. 6а. На фиг. 6 для каждого из трёх значений параметра М=1 (фиг. 6а), М=2 (фиг. 6б), М=3 (фиг. 6в) представлены осциллограммы выходного напряжения МЭГС-2 до ВФ – и после ВФ – (t) соответственно, а также ток нагрузки – при cosφ2(1)=0,8 (по основной гармонике). Справа (для каждого из значений числа М) (фиг. 6 г-и) предсталены спектрограммы выходных напряжений до ВФ и после ВФ с указанием значений коэффициента гармоник напряжения до ВФ и после ВФ.

Таким образом, в предлагаемом изобретении с помощью поискового синтеза из серии возможных альтернативных вариантов исполнения машинно-электронной генерирующей системы (МЭГС-2) со структурой силовой части в виде 4-х последовательно соединённых звеньев (электрического генератора – ЭГ, выпрямительного блока (ВБ), 3-фазного инверторного блока (ТИН-3ОИН) и выходного фильтра – ВФ) синтезированы наиболее рациональные исполнения каждого из этих звеньев (включая ВФ), которые (максимально) учитывают необходимые (и формируемые изобретением) их свойства, направленные на общую для этой системы цель – достижение заданных показателей её качества, прежде всего, результирующей массы системы МЭГС-2.

Использование для построения ТИН трёх однофазных инверторов по мостовой схеме (ОМИ), при той же выходной мощности МЭГС-2 (с тем же значением выходного напряжения), обеспечивает:

1) снижение рабочего напряжения на КЭ ТИН в 2 раза, что делает возможным применение в нём полевых транзисторов (MOSFET), которые при том же токе по сравнению с IJBT имеют меньшие (не менее, чем в 1,5 раза) потери;

2) при использовании решения ТИН-3ОМИ требуется меньшая (в раз) габаритная мощность ЭГ, чем при использовании решения-прототипа ТИН-3ОПНИ. Соответственно масса ЭГ (в варианте с ТИН-3ОМИ) тоже будет меньше (по крайней мере, не менее, чем на 30%);

3) поскольку спектральный состав выходного напряжения в ТИН-3ОИН получается значительно лучше, чем в ТИН-3ОПНИ (за счёт использования другой структуры инверторного фазного модуля и более эффективного алгоритма его формирования – однополярной ШИМ (ОШИМ) вместо двухполярной ШИМ (ДШИМ)), то масса его выходного фильтра (ВФ) оказывается значительно меньше, чем в прототипе;

4) в процессе разработки нового решения МЭГС-2 установлено, что (при найденном наиболее рациональном значении произведения LC=const ВФ, обеспечивающем заданное (допустимое) значение коэффициента гармоник выходного напряжения), изобретение позволяет предельно уменьшить массу ВФ. Достигается это путём выбора оптимального (в сторону увеличения) значения его волновой проводимости: (при контроле рационального её значения по критерию допустимой токовой загрузки КЭ ТИН);

5) предложенное в изобретении решение хорошо адаптировано к наращиванию преобразуемой мощности при использовании недостаточной единичной мощности реально располагаемых транзисторов за счет использования при синтезе ОМИ известного способа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Применительно к ТИН-3ОМИ он описан, например, в патенте РФ № 2784845.

Использование изобретения позволяет улучшить показатели качества машинно-электронной генерирующей системы.

Формула изобретения

1. Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты переменного тока (МЭГС-2), содержащая электрический генератор (ЭГ) с индуктором и тремя трёхфазными якорными обмотками (ТЯО), узел стабилизации напряжения (УСНj), включающий в себя, по крайней мере, один управляемый ключевой элемент (УКЭj), и узел формирования управляющих сигналов (ФСУj), содержащий в себе источник питания внутренних нужд (ИПВН) и выполненный с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2, для его стабилизации при реальных возмущающих воздействиях, трёхканальный выпрямительный блок (3-ВБ) в виде трёх трёхфазных выпрямительных мостов (ТВМ), а также трёхфазный инвертор напряжения (ТИН) с выходным фильтром (ВФ) и с блоком управления (БУИ), выполненным с возможностью реализации заданных алгоритмов управления ключами ТИН и с узлом регулирования его фазных напряжений (УРФН), причём входы каждого из трёх ТВМ 3-ВБ подключены к одной из трёх ТЯО, а выходы ТВМ предназначены для подключения их к шинам питания ТИН, по крайней мере, с одним буферным конденсатором, включённым между ними, отличающаяся тем, что три ТЯО выполнены гальванически развязанными, причём каждая с топологией «звезда», ТИН выполнен на основе трёх однофазных мостовых инверторов (ОМИj), шины питания каждого из которых совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором предназначены для подсоединения их к выходу одного из трёх ТВМ 3-ВБ, один выходной вывод в каждом из ОМИ образует начало одной из трёх фаз МЭГС-2, обозначаемое, соответственно, как «А», «В», «С», а другие выходные выводы (концы) в каждом из ОМИj, обозначаемые для трёх фаз, соответственно, как «Х», «Y», «Z» , объединены между собой и образуют нулевой вывод трёхфазной системы «0».

2. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что ФСУj содержит последовательно включённые, по крайней мере, один модулятор ширины импульсов (МШИj) и контур отрицательной обратной связи (КООС), причём вход КООС предназначен для подключения его к выходным выводам МЭГС-2, а j-й выход МШИj – к управляющему входу j-го УКЭ j.

3. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что индуктор ЭГ выполнен с использованием обмотки возбуждения (ОВ), подключённой к выходу УСН1, где индекс j=1, который содержит управляемый ключевой элемент – УКЭj, где j=1, своими силовыми выводами последовательно соединён с источником питания внутренних нужд (ИПВН1) и с ОВ индуктора таким образом, что они вместе образует замкнутую цепь, причём управляющий вход УКЭ1 подключён к выходу МШИ1 ФСУ1, а шины питания каждого из трёх ОМИj совместно с подключенным между ними индивидуальным буферным конденсатором подсоединены к выходу одного из трёх ТВМ непосредственно.

4. МЭГС-2 по п. 1, отличающаяся тем, что индуктор ЭГ выполнен с использованием постоянных магнитов, а 3-ВБ выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения МЭГС-2 и стабилизации его с помощью УСНj.

5. МЭГС-2 по любому из пп. 1, 2, 4, отличающаяся тем, что УСНj содержит три УКЭj(3), где j = 1, 2, 3, и три МШИj(3), причём каждый из УКЭj подключён между выходными выводами одного из трёх ТВМ 3-ВБ, управляющий вход каждого из УКЭj(3) подключён к выходу одного из трёх 3-МШИj(3), который выполнен трёхканальным (3-МШИj(3)) и обеспечивающим переключение трёх УКЭj с тактовой частотой fт>>fэг, где fэг – частота напряжения ЭГ, с регулируемой скважностью S и реализующим фазовый сдвиг между тремя последовательностями выходных импульсов 3-МШИ, сдвинутыми между собой на тактовой частоте fт на угол 2π/3, управляющие входы 3-МШИj(3) объединены и образуют общий управляющий вход, выполненный с возможностью подключения к выходу КООС, а каждый из трёх индивидуальных буферных конденсаторов, включённый между шинами питания одного из ОМИ, одной своей обкладкой подключён к соответствующему выходному выводу одного из ТВМ через разделительный диод.

Изобретение "Машинно-электронная генерирующая система со стабилизацией напряжения и частоты" (Мыцык Геннадий Сергеевич, Мье Мин Тант) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога