Результат интеллектуальной деятельности: Способ стабилизации выходного напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к области электрических генераторов с переменной частотой вращения вала и может быть использовано при построении вентильных генераторов (ВГ) для систем электропитания автономных объектов, например, для летательных аппаратов, где требуются бесконтактность и минимально возможная масса и габариты.

Известны регулируемые по напряжению бесконтактные генераторы комбинированного возбуждения, включающие в себя два индуктора - нерегулируемый индуктор на постоянных магнитах и регулируемый индуктор с электромагнитным возбуждением, который реализуется на основе конструкции типа сексин - см. стр. 180, рис. 6.16 в Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Изд.-о МЭИ. - Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - 2005. - 508 с. При подключении к выходу такого генератора выпрямительного блока он превращается в «бесконтактный вентильный генератор (БВГ)». Регулирование возбуждения для стабилизации выходного напряжения БВГ осуществляется с помощью электронного блока регулирования тока возбуждения регулируемого индуктора. Такие БВГ обеспечивают стабилизацию выходного напряжения при изменении частоты вращения вала генератора и нагрузки в заданных диапазонах.

Недостатком данного решения являются технологические сложности реализации конструкции второго индуктора типа сексин, которые возрастают с ростом мощности и частоты вращения вала.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является БВГ с возбуждением только от постоянных магнитов. Они выполняются в виде последовательно соединенных бесконтактной фазной электрической машины (ЭМ) и управляемого вентильного блока (УВБ), который может выполняться, например, на тиристорах (см. стр. 279 в [2]: Комлев И.В. Регулируемый магнитоэлектрический вентильный генератор Труды н/т-й конф. «Электрификация летательных аппаратов», посвященная 125-летию академика В.С. Кулебакина. Москва, 1 ноября 2016 г. ИД Академии Жуковского, 2016. - 322 с.) Способ стабилизации напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора (МЭГ) заключается в том, что переменное напряжение МЭГ с изменяемой частотой вращения его вала выпрямляют, при изменении частоты вращения вала от ƒ_min до ƒ_max, регулируют его в направлении стабилизации на заданном уровне. Стабилизация напряжения осуществляется путем фазового управления 18 тиристорами, на которых выполняется выполнения выпрямительный мост. Управление (УВБ) для стабилизации напряжения осуществляется фазовым способом с помощью блока управления (БУ).

Недостатком этого решения является повышенная сложность УВБ и недостаточно высокая его помехоустойчивость. Кроме того, входной коэффициент мощности УВБ сильно уменьшается с ростом угла регулирования тиристоров, что при стабилизации выходного напряжения БВГ в режиме максимальной частоты вращения вала приводит к увеличению проектно необходимой габаритной мощности ЭМ, то есть к ухудшению ее массогабаритных и энергетических показателей.

Технической задачей изобретения является улучшение массогабаритных и энергетических показателей при упрощении технической реализации способа.

Технический результат способа заключается в повышении энергоэффективности процесса стабилизации его напряжения (при переменной частоте вращения вала) и технологичности практической его реализации.

Это достигается тем, что при известном способе стабилизации выходного напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора (МЭГ), состоящем в том, что переменное напряжение МЭГ с изменяемой частотой вращения его вала выпрямляют, при изменении частоты вращения вала от ƒ_min до ƒ_max регулируют его в направлении стабилизации на заданном уровне, формируют нерегулируемое основное выпрямленное напряжение U_d0 и дополнительное выпрямленное напряжение ΔU_d0, эти два напряжения суммируют в соответствии с выражением: U_d0Σ=U_d0±ΔU_d0, а стабилизацию этого результирующего выпрямленного напряжения U_d0Σ осуществляют путем регулирования дополнительного выпрямленного напряжения ΔU_d0 по уровню и по знаку в диапазоне: ±U_d0=(+)ΔU_d0max÷0÷(-)ΔU_d0max, причем в диапазоне изменения частоты от ƒ_min до напряжение ΔU_d0 суммируют с основным напряжением U_d0, а в диапазоне от до ƒ_max вычитают из него.

Изобретение поясняется чертежами где на фиг. 1 показана структурно-функциональная схема вентильного магнитоэлектрического генератора (ВМЭГ), реализующая способ стабилизации, на фиг. 2 приведена скоростная характеристика ВМЭГ, поясняющая зависимость его выходного напряжения от частоты вращения вала для двух диапазонов ее изменения: от 6000 об/мин до 9000 об/мин и от 6000 об/мин до 12000 об/мин.

Стабилизированный по выходному напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ) содержит: синхронный генератор 1 с возбуждением от постоянных магнитов, своим выходом подключенный ко входам выпрямительного блока 2, а также последовательно включенное в цепь постоянного тока этого блока 2 выход реверсивного вольтодобавочного канала (РВДК). Силовая часть РВДК включает в себя высокочастотный инвертор напряжения (ВЧИН) 3, выполненный на транзисторах 3.1, 3.2 с делителем напряжения 3 на конденсаторах 3.3, 3.4, которые своими выводами 3.5, 3.6, подключены к выходным выводам 2.1, 2.2 выпрямительного блока 2, между которыми включен также накопительный конденсатор 2.3; согласующий трансформатор напряжения 4 (установленный на выходе инвертора 3) с первичной 4.1 и двумя вторичными обмотками 4.2, 4.3, причем последние с двумя полностью управляемыми ключами с односторонней проводимостью 5, 6 образуют реверсивный вольтодобавочный выпрямитель (РВДВ) по нулевой схеме. Точка соединения силовых выводов ключей 5, 6 через дроссель 7 подключена к одному выходному выводу 8 ВМЭГ, а второй его выходной вывод 9 объединен с выходным выводом выпрямительного блока 2.2. Между выходными выводами 8, 9 ВМЭГ включен конденсатор 10, который совместно с дросселем 7 образует сглаживающий Г образный LC фильтр. Нагрузку 11 подключают к выходным выводам 8, 9 ВМЭГ. Управление инвертором напряжения 3 осуществляется блоком управления (БУ) 12, выходы которого через драйверы 13 подключены к управляющим входам ключей инвертора напряжения 3. Для стабилизации напряжения ВМЭГ при возмущающих воздействиях по нагрузке используется контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению 14. При реализации драйверов 13 и КООС 14 используются стандартные решения. Электропитание узлов 12, 13, 14 осуществляется блоком питания внутренних нужд (БПВН) 15.

Для пояснения принципа работы реверсивного вольтодобавочного канала (РВДК) воспользуемся зависимостью выходного напряжения ВМЭГ от частоты вращения приводного вала ЭМ, представленной на фиг. 2. На ней в качестве примера показаны два возможных диапазона изменения частоты вращения вала: 1-й диапазон - от n_min=6000 об/мин до n_max=9000 об/мин и 2-й диапазон - от n_min=6000 об/мин до n_max=12000 об/мин. Линии 0-k₁ и 0-k₂ на фиг. 2 отражают скоростные характеристики (в относительных единицах) для двух диапазонов изменения частоты вращения вала U^*_МЭГ=ƒ(n); а линии 0-g₁ и 0-g₂ - скоростные характеристики регулируемой части ВМЭГ - U^*_РГ=ƒ(n). Стабилизация выходного напряжения ВМЭГ характеризуется линиями h-0₂ и h-c соответственно. Для 1-го диапазона изменения частоты отрезки h-0₁ и 0₁-0₂ определяют 1-ю и 2-ю зоны стабилизации напряжения: в 1-й зоне (h-0₂) реализуется режим вольтодобавки (ВД), а во 2-й зоне (0₁-0₂) - режим вольтовычитания (ВВ). Аналогичный комментарий распространяется и на 2-й диапазон изменения частоты.

Процесс регулирования рассмотрим только для 1-го диапазона. За номинальную частоту вращения вала здесь принимается значение: Функциональная задача РВДК заключается в следующем: в 1-й зоне изменения частоты вращения n_min<n_ном к напряжению U_d0 основного канала (напряжение на накопительном конденсаторе 2.3) должно добавляться напряжение вольтодобавочного (стабилизирующего) канала ΔU_d0, которое с ростом частоты вращения вала n должно автоматически уменьшаться по уровню от (+)ΔU_d0max при n_min до 0 при n_ном (отрезок n₁-h на фиг. 2.), а во 2-й зоне при n_max>n>n_ном из основного напряжения U_d0 дополнительное напряжение должно вычитаться и с ростом частоты вращения вала n автоматически увеличиваться по уровню от 0 при n_ном до (-)ΔU_d0max при n_max (отрезок 0₂-k₁ на фиг. 2). Это означает, что при переходе из 1-ой зоны (ВД) во 2-ю зону (ВВ) логика работы регулятора ширины импульсов (РШИ) должна изменяться на обратную. Из этого следует, что датчик напряжения МЭГ должен обладать V-образной характеристикой, на фиг. 2 определяемой изогнутой линией . В 1-й зоне транзисторы 3.1, 3.2 ВЧИН включают попеременно с задержкой на угол регулирования α, а транзисторы 5.1, 6.1 должны быть включены постоянно, т.е. РВДК здесь работает в выпрямительном режиме. Во 2-й зоне транзисторы 3.1, 3.2 выключают, а ВЧИН работает в выпрямительном режиме. Здесь транзисторы 5.1, 6.1 РВДК должны работать попеременно, но на интервалах, определяемых углом регулирования α, они должны находиться во включенном состоянии, т.е. на этих интервалах мощность МЭГ передается в нагрузку непосредственно. Это означает, что РВДК работает здесь в обращенном, т.е. в инверторном режиме. При этом обратный поток энергии идет на подзаряд накопительного конденсатора 2.3. В результате напряжение на нем возрастает, диоды выпрямительного моста 2 запираются, и отбор мощности от МЭГ 1 прекращается до того момента, когда конденсатор 2.3 разрядится на нагрузку 11, и напряжение на нем станет меньше, чем напряжение на выходе выпрямителя 2. Далее процесс подзаряда и разряда конденсатора 2.3 будет повторяться. Вышеописанные процессы работы РВДК обеспечивают стабилизацию выходного напряжения ВМЭГ.

Использование изобретения обеспечивает повышение КПД и уменьшение общей массы МЭГ и РВДК за счет преобразования не полной мощности МЭГ, а лишь его части. Численная оценка результата определяется диапазоном изменения частоты вращения вала МЭГ. Например, при кратности изменения частоты вращения вала K_n=n_max/n_min=1/5 максимальная мощность РВДК (в крайних точках частотного диапазона - n_min и n_max) составляет 20% от выходной номинальной мощности ВМЭГ, а при K_n=2 уже 30%. Мощность электронного блока уменьшается в 5 раз в первом случае и в 3 раза - во втором.