Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем (СГС) для летательных аппаратов, в которых для достижения высокого качества генерируемой электрической энергии применяются статические преобразователи электрической энергии.

При построении СГС для летательных аппаратов важным является совмещение функций режима стартерного запуска газотурбинных двигателей и режима генерации электрической энергии в одном агрегате. Совмещенная СГС позволяет повысить надежность, а также улучшить массогабаритные показатели авиационных систем за счет отказа от большого числа быстро изнашиваемых частей оборудования летательных аппаратов. Кроме этого, совмещенная СГС дает возможность совместить функции генерирования электрической энергии переменного и постоянного тока, а также осуществлять перетоки электрической энергии между этими системами генерирования. В этом случае открывается возможность стартерного запуска газотурбинного двигателя, как от сети переменного, так и постоянного тока. Такой уровень интеграции систем генерирования и электростартерного запуска позволяет наделить систему электроснабжения функциями адаптивных систем, появляются свойства так называемых «умных» электрических сетей («smart grid»). Адаптивный характер системы электроснабжения существенно повышает живучесть летательного аппарата.

Известна стартер-генераторная система, состоящая из синхронного генератора и машины постоянного тока [Ханахмедова С.А., Стартер-генератор на борту подвижных установок/С.А. Ханахмедова//ЕЛЕКТРООТЕХНIКА. - 2012. - №2. - С. 34-37], содержащая электрическую машину с двумя последовательно соединенными якорными обмотками, пускопереключающее устройство в виде редуктора, позволяющее переводит систему в стартерный или генераторный режим работы и расположенное между электрической машиной и шкивом ременной передачи, ременную передачу, создающую связь между валом пускопереключающего устройства и коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, пусковое реле, дающее команды на включение, автоматизацию и сигнализацию режима.

Данная система обладает рядом недостатков. Коллектор и щетки электрической машины образуют скользящий контакт, через который осуществляется связь между вращающейся обмоткой якоря и неподвижной внешней цепью машины. В рабочем режиме наблюдается искрение под щетками и на коллекторе машины постоянного тока, что может быть связано с механическими или коммутационными причинами. Искрение под щетками электрической машины приводит к чрезмерному нагреву коллектора и щеток и к их разрушению, что значительно снижает надежность и рабочий ресурс системы.

К недостаткам следует отнести также и то, что абсолютная температура нагрева обмоток и щеток машины постоянного тока достигает величин порядка 200°С, что вызывает необходимость использования для их изготовления материалы повышенной теплостойкости.

Кроме того, известна стартер-генераторная система [Стартер-генераторная система для вспомогательной силовой установки/Левин А.В., Халютин С.П., Давидов А.О., Жмуров Б.В. и др.//Научный вестник МГТУ ГА. - 2017. - №05, Том 20. - С. 50-66], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного DC/DC преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе DC/DC преобразователя, и двунаправленного AC/DC преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе AC/DC преобразователя.

Недостатком прототипа является невозможность еге работы от синхронного генератора с переменной частотой вращения вала.

Задача изобретения (технический результат) - расширение функциональных возможностей стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, а также осуществление электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока.

Задача достигается тем, что в известной стартер-генераторной системе, содержащей синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока.

Схема предлагаемой стартер-генераторной системы приведена на чертеже.

Стартер-генераторная система включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов (СГ) (1), статический двунаправленный полупроводниковый преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты (2), двунаправленный инвертор напряжения (3), двунаправленный dc-dc преобразователь (4), аккумуляторную батарею (АБ) (5), нагрузку постоянного тока (6), нагрузку переменного тока (7).

Выводы синхронного генератора (1) с переменной частотой вращения вала n=var соединены со входами непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2). Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией (2) содержит три одинаковых по топологии вентильных комплекта (ВК А, ВК В, ВК С), входы каждого из вентильных комплектов соединены с одноименными выходами синхронного генератора (1). Выходы вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (2) соединены с выходами двунаправленного инвертора напряжения (3) и нагрузкой переменного тока (7). Двунаправленный инвертор напряжения (3) содержит три одинаковых по топологии пары вентилей с обратными диодами. Вход двунаправленного инвертора напряжения соединен с выходом двунаправленного dc-dc преобразователя (4). Вход dc-dc преобразователя соединен с выходом аккумуляторной батареи (5). Вход аккумуляторной батареи соединен с нагрузкой постоянного тока (6).

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

Существует два основных режима функционирования: 1) режим электростартерного запуска синхронного двигателя; 2) режим генерации электрической энергии.

Электростартерный запуск синхронного генератора в предложенной стартер-генераторной системе осуществляется от источника постоянного или переменного тока. В режиме электростартерного запуска от звена постоянного тока электроэнергия отбирается от АБ (I_АБ) и поступает на якорную обмотку стартера синхронного генератора через двунаправленный dc-dc преобразователь, который формирует постоянное напряжение Ud и ток Id требуемого уровня, инвертор напряжения, который формирует трехфазное переменное напряжение e_u(A), e_u(B), e_u(C), которое поступает на выход непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, работающего в обращенном режиме. Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией выполняет функцию частотного регулирования синхронного генератора, работающего в режиме электрического двигателя.

Уменьшение количества зарядно-выпрямительных устройств за счет совмещения функций инвертора напряжения и двунаправленного dc-dc преобразователя, а также исключение из бортового электрооборудования летательного аппарата стартера на базе электродвигателя постоянного тока для вспомогательной силовой установки или устройств запуска маршевого двигателя с помощью сжатого воздуха, позволяют снизить массогабаритные показатели авиационных систем в целом и повысить надежность электропитания бортового оборудования.

В случае электростартерного запуска от источника переменного тока, которым служит аэродромный источник электропитания, последний подключается к зажимам непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, работающего в обращенном режиме и выполняющего функцию частотного регулирования синхронного генератора.

После запуска двигателя стартер-генератор автоматически переключается в генераторный режим и работает как источник электроэнергии на борту летательного аппарата. В режиме генерации электрической энергии непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, формирующий переменное выходное напряжение e_u(A), e_u(B), e_u(C), выполняет функцию стабилизации выходного напряжения e_2(А), e_2(B), e_2(С) по амплитуде и частоте для потребителей переменного тока на борту летательного аппарата (AC load) в соответствие с ГОСТ - 54073-2010. Двунаправленный инвертор напряжения работает параллельно с непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией и выполняет функцию активного фильтра, компенсирует влияние высших гармонических составляющих в спектре выходного переменного напряжения системы. Также инвертор напряжения и двунаправленный dc-dc преобразователь работают параллельно с бортовой электросетью постоянного тока 27 В (DC load) и осуществляют заряд аккумуляторной бортовой батареи до требуемого уровня напряжения U_АБ, а в случае отказа аккумуляторной батареи обеспечивают электропитание нагрузок постоянного тока (I_{н dc}).

Двунаправленный инвертор напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, выполняя функцию активного фильтра в режиме генерации электрической энергии, улучшает качество выходного напряжения стартер-генераторной системы, что уменьшает массу выходного фильтра непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией и, как следствие, позволяет снизить массогабаритные показатели авиационной системы в целом.

Кроме этого, в режиме генерации электрической энергии в случае отказа синхронного генератора или непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, учитывая обратимость потока энергии в системе «инвертор напряжения -двунаправленный dc-dc преобразователь» инвертор напряжения может осуществлять электропитание ряда нагрузок переменного тока. Источником энергии в этом случае служит бортовая аккумуляторная батарея. Длительность электроснабжения потребителей переменного тока в этом случае определяется емкостью и уровнем заряда бортовой аккумуляторной батареи на момент отказа непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией.

Таким образом, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет расширить функциональные возможности стартер-генераторных систем для летательных аппаратов и придает им адаптивный характер за счет обеспечения генерации переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения вала синхронного генератора, а также осуществления электростартерного запуска, как от сети постоянного, так и переменного тока.

Кроме того, включение в состав стартер-генераторной системы непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией позволяет повысить надежность авиационных систем, поскольку силовая схема таких преобразователей имеет простую и надежную реализацию, содержит в своем составе попарно работающие тиристорные комплекты, которые обладают большой перегрузочной способностью и небольшими массогабаритными показателями. Также расширяются функциональные возможности системы за счет связи систем электроснабжения переменного и постоянного тока, по сути, система приобретает статус «умной» электрической сети («smart grid»). Непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией не содержит в своем составе реактивных элементов, что также уменьшает массогабаритные показатели системы в целом. Поскольку непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией может осуществлять двусторонний свободный обмен электроэнергии между сетью и нагрузкой, такой преобразователь удовлетворяет режиму электростартерного запуска синхронного генератора и режиму генерации электрической энергии для потребителей переменного тока.

Уменьшение массогабаритных показателей предложенной стартер-генераторной системы обусловлено также уменьшением количества зарядно-выпрямительных устройств за счет совмещения функций инвертора напряжения и двунаправленного dc-dc преобразователя, которые в генераторном режиме работы системы выполняют функцию активного фильтра и повышают качество выходного напряжения, а также работают параллельно с бортовой электросетью постоянного тока и осуществляют заряд аккумуляторной батареи. Кроме этого, применение инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией позволяет уменьшить массу выходного фильтра непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, что также уменьшает массу и габариты системы в целом.

Предлагаемая стартер-генераторная система, имеющая в своем составе непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией, позволяет интегрировать различные системы электроснабжения, приближая системы электропитания летательных аппаратов к адаптивным электрическим сетям, а именно «smart grid».