RU2713390C1 - Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов - Google Patents
Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713390C1 RU2713390C1 RU2019115319A RU2019115319A RU2713390C1 RU 2713390 C1 RU2713390 C1 RU 2713390C1 RU 2019115319 A RU2019115319 A RU 2019115319A RU 2019115319 A RU2019115319 A RU 2019115319A RU 2713390 C1 RU2713390 C1 RU 2713390C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- converter
- starter
- output
- generator
- bidirectional
- Prior art date
Links
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title abstract description 6
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000007858 starting material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 208000032953 Device battery issue Diseases 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Стартер-генераторная система летательного аппарата, 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, при этом 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. 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 (Smart Grid), 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. 1 ил.
Description
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 (IАБ) 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 eu(A), eu(B), eu(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 eu(A), eu(B), eu(C), выполняет функцию стабилизации выходного напряжения e2(А), e2(B), e2(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 UАБ, а в случае отказа аккумуляторной батареи обеспечивают электропитание нагрузок постоянного тока (Iн 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».
Claims (1)
- Стартер-генераторная система летательного аппарата, 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, отличающаяся тем, что 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115319A RU2713390C1 (ru) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115319A RU2713390C1 (ru) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2713390C1 true RU2713390C1 (ru) | 2020-02-05 |
Family
ID=69625394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019115319A RU2713390C1 (ru) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2713390C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741136C1 (ru) * | 2020-09-03 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ДИАМ-АЭРО» | Система управления и передачи вращательного момента на винт(ы) в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), стартер-генератор, плата управления стартером-генератором и амортизатор для этой системы |
| RU2758793C1 (ru) * | 2021-03-29 | 2021-11-01 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | Адаптивная стартер-генераторная система |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5132604A (en) * | 1989-04-04 | 1992-07-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Engine starter and electric generator system |
| RU174731U1 (ru) * | 2017-03-07 | 2017-10-30 | Борис Яковлевич Тузов | Гибридный экранолет |
| RU2658212C2 (ru) * | 2015-07-29 | 2018-06-19 | Айрбас Дефенс Энд Спейс Гмбх | Гибридная электрическая силовая передача для беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки |
| RU2681839C1 (ru) * | 2016-12-16 | 2019-03-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Автономная система электроснабжения |
-
2019
- 2019-05-20 RU RU2019115319A patent/RU2713390C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5132604A (en) * | 1989-04-04 | 1992-07-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Engine starter and electric generator system |
| RU2658212C2 (ru) * | 2015-07-29 | 2018-06-19 | Айрбас Дефенс Энд Спейс Гмбх | Гибридная электрическая силовая передача для беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки |
| RU2681839C1 (ru) * | 2016-12-16 | 2019-03-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Автономная система электроснабжения |
| RU174731U1 (ru) * | 2017-03-07 | 2017-10-30 | Борис Яковлевич Тузов | Гибридный экранолет |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741136C1 (ru) * | 2020-09-03 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью «ДИАМ-АЭРО» | Система управления и передачи вращательного момента на винт(ы) в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), стартер-генератор, плата управления стартером-генератором и амортизатор для этой системы |
| RU2758793C1 (ru) * | 2021-03-29 | 2021-11-01 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» | Адаптивная стартер-генераторная система |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6169390B1 (en) | Flywheel-microturbine system | |
| US8446024B2 (en) | Electrical machines with integrated power and control and including a current source inverter | |
| US20030155893A1 (en) | Electrical circuit for generating a three-phase alternating current | |
| CN106208071B (zh) | 混合式ac及dc分配系统和使用方法 | |
| ATE389258T1 (de) | Stromversorgungssystem und permanentmagnetischer generator für ein solches system | |
| RU2713390C1 (ru) | Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов | |
| Omitola et al. | Design and Construction of 1KW (1000VA) Power Inverter | |
| RU78012U1 (ru) | Система бесперебойного энергоснабжения | |
| RU2606383C1 (ru) | Инвертор для солнечных электростанций | |
| RU2758793C1 (ru) | Адаптивная стартер-генераторная система | |
| Grzesiak et al. | Application of a permanent magnet machine in the novel hygen adjustable-speed load-adaptive electricity generating system | |
| CN111566888B (zh) | 混合通用负载调节器 | |
| RU2419957C1 (ru) | Электроэнергетическая установка | |
| RU2457612C1 (ru) | Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора | |
| RU2771475C1 (ru) | Устройство для запуска и стабилизации частоты электроэнергетической установки | |
| RU2791376C1 (ru) | Энергоустановка | |
| Kurka et al. | New generation of mobile electrical power sources | |
| RU2306664C1 (ru) | Турбогенераторная установка | |
| RU97227U1 (ru) | Электроэнергетическая установка | |
| RU89294U1 (ru) | Двухагрегатная передвижная станция | |
| RU2738159C1 (ru) | Объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности | |
| RU2588001C1 (ru) | Автономная мультимодульная установка генерирования электрической энергии ограниченной мощности | |
| RU2736272C1 (ru) | Объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности | |
| RU192527U1 (ru) | Энергодар | |
| Murthy et al. | New experimental findings on a novel two-winding single phase self-excited induction generator for standby power generation |