Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Предложение относится к электротехнике, в частности, к построению систем электропитания постоянного тока особо важных потребителей электроэнергии, требующих повышенного качества электроэнергии не только при всех возможных внешних воздействующих факторах, включая радиационное и электромагнитное излучение, но и при всех возможных авариях силовых и управляющих элементов собственного преобразователя. Это особенно важно для тех потребителей электроэнергии, питание которых, с целью повышения надежности, осуществляется от «n»-источников постоянного тока с развязкой последних с помощью распределительных диодов. К таким потребителям относятся, например, системы дистанционного управления вертолетов и самолетов.

В этом случае при коротком замыкании в любом источнике питания или его линии последний отключается, а оставшиеся «n-1»-источники постоянного тока продолжают питать потребителей.

В случае перенапряжений на выходе любого из «n»-источников постоянного тока, вызванного аварией в самом источнике или в системе его защиты, перенапряжения поступают на вход потребителей, причем диоды оставшихся нормально работающих «n-1»-источников постоянного тока при этом запираются.

Известна система электропитания постоянного тока по патенту РФ №2257655 от 27.07.2005 г. «Система энергоснабжения потребителя электроэнергии», состоящая из генератора переменного тока, подключенного к авиадвигателю с широким диапазоном изменения оборотов, и статического преобразователя переменного тока в постоянный на тиристорах. Система также содержит контур защиты потребителей, выполненный в виде датчика напряжения, узла выдержки времени и исполнительного органа защиты. Основным недостатком данной системы энергоснабжения является то, что вышеприведенный контур защиты не спасает потребителей электроэнергии от перенапряжений во время аварий в системе его управления (не отключается преобразователь при срабатывании защиты) или в системе силового преобразования, например, при трансформации тиристора в диод, или при авариях в собственно системе защиты.

Известно также устройство по патенту РФ №71046 от 20.02.2008 г. «Устройство защиты системы электроснабжения», содержащее нерегулируемый генератор, вал которого связан с валом авиадвигателя, и тиристорный выпрямитель на тиристорах с первым контуром защиты, в которую введен второй контур защиты в виде трехфазного контактора, включенного последовательно с фазными обмотками генератора. Недостатки данного технического решения заключаются в том, что при высоких оборотах генератора и высоком напряжении невозможно подобрать контактор, соответствующий требованиям по допустимой рабочей частоте, а также время срабатывания выключения контактора измеряется несколькими миллисекундами (7÷10 мс), в течение которых перенапряжение будет проходить к потребителям, что во многих случаях недопустимо.

Цель изобретения - повышение надежности, абсолютное исключение поступления перенапряжений на клеммы потребителей электроэнергии при всех видах аварийных состояний в системе электропитания.

Поставленная цель достигается в системе электропитания постоянного напряжения, содержащей нерегулируемый генератор с переменной частотой вращения, вал которого подключен к валу авиадвигателя, и полупроводниковый преобразователь переменного тока в постоянный на тиристорах с первым контуром защиты, выполненным в виде первого датчика напряжения, связанного через первую выдержку времени с системой управления тиристорами преобразователя. В систему дополнительно введен второй контур защиты, содержащий силовой проходной транзисторный ключ, включенный в цепь нагрузки тиристорного преобразователя, узел второй выдержки времени, второй и третий датчики напряжения, а также управляющее устройство второго контура защиты, связанное с первым и вторым устройствами управления проходным ключом, причем первое устройство управления переводит ключ в режим отсечки и связано через управляющий орган защиты и вторую выдержку времени со вторым датчиком напряжения, а второе устройство управления переводит ключ в режим стабилизации напряжения и связано непосредственно с выходом третьего датчика напряжения и выходом управляющего органа защиты. Уровень напряжения срабатывания третьего датчика напряжения больше, чем уровень напряжения срабатывания второго датчика напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы электропитания, где:

1 - приводной авиадвигатель,

2 - генератор,

3 - управляемый преобразователь на тиристорах,

4 - система управления тиристорами преобразователя,

5 - исполнительный орган защиты преобразователя,

6 - узел первой выдержки времени (выдержка времени защиты преобразователя),

7 - первый датчик напряжения (датчик напряжения защиты преобразователя),

8 - проходной транзисторный ключ,

9 - первое устройство управления ключа 8 (режим отсечки),

10 - второе устройство управления ключа 8 (режим стабилизации),

11 - управляющее устройство второго контура защиты,

12 - узел второй выдержки времени,

13, 14 - датчики напряжения,

15 - нагрузка преобразователя.

На фиг. 2 приведены эпюры, поясняющие работу системы электропитания, где:

U_вых - выходное напряжение системы электропитания,

U_вых1 - порог срабатывания второго датчика напряжения (13),

U_вых2 - порог срабатывания третьего датчика напряжения (14),

τ - вторая выдержка (t₂÷t₄) времени.

Система электропитания постоянного напряжения работает следующим образом.

Авиадвигатель 1 приводит во вращение генератор 2, выход которого связан с управляемым преобразователем 3 на тиристорах и через нормально открытый проходной транзисторный ключ 8 связан с нагрузкой 15 преобразователя. Управляемый преобразователь 3 на тиристорах содержит систему защиты от перенапряжений, состоящую из первого датчика напряжения 7, узла 6 первой выдержки времени и исполнительного органа 5 защиты преобразователя 3, который воздействует на систему управления 4 тиристорами преобразователя, снимая с них импульсы управления при срабатывании первого датчика 7 напряжения, т.е. при достижении определенного уровня выходного напряжения преобразователя. Этим обеспечивается защита нагрузки 15 преобразователя от перенапряжений. В обычных условиях работы системы электропитания постоянного напряжения этого вполне достаточно. Однако при выходе из строя устройств защиты (5, 6, 7) управляемого преобразователя 3 на тиристорах или системы управления 4 тиристорами преобразователя сигналы с исполнительного органа защиты 5 преобразователя не проходят к преобразователю 3 на тиристорах, тиристоры не запираются, и, следовательно, появление высокого напряжения на нагрузке 15 ничем не блокируется. Крайний случай аварии в преобразователе 3 связан с коротким замыканием управляющего перехода собственно силового тиристора, в силу чего он превращается в обычный диод, и, следовательно, известными способами защиты нагрузку 15 невозможно оградить от перенапряжений.

Для исключения этих явлений в систему электропитания постоянного напряжения вводятся дополнительно проходной транзисторный ключ 8 и узлы 9÷14, причем проходной транзисторный ключ 8 может работать в трех режимах: нормально-открытом, нормально-закрытом (режим отсечки) и в режиме стабилизации выходного напряжения.

Например, когда выходное напряжение U_вых системы электропитания (фиг. 2) достигает уровня срабатывания датчика напряжений 13, то включается узел 12 второй выдержки времени, и если напряжение U_выхX далее не увеличивается или увеличивается ниже уровня срабатывания датчика напряжений 14, то через время Δt, равное интервалу времени t₂÷t4, проходной транзисторный ключ 8 закрывается. Если же напряжение U_вых возрастает более уровня напряжения срабатывания датчика напряжения 13 и достигает уровня срабатывания датчика напряжения 14 (U_вых2), которое соответствует максимально допустимой величине напряжения на нагрузке 15 преобразователя, то срабатывает датчик напряжения 14 и его выходной сигнал поступает на второе устройство управления 10, переводя проходной транзисторный ключ 8 в режим стабилизации напряжения U_вых. При этом по-прежнему работает узел второй выдержки времени 12, который отключает преобразователь 3 в момент времени t₄.

Таким образом, введение второго уровня защиты управляемого преобразователя 3 на тиристорах в виде узлов 8÷14 позволяет ограничить выходное напряжения преобразователя 3 на любом уровне, соответствующем U_вых2, и исключить поступление напряжения на нагрузку 15 преобразователя выше этого уровня при всех возможных авариях управляемого преобразователя 3 на тиристорах или в его системе управления и защиты.